基于热管的储能型热管理系统性能探究及优化

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伴随着社会经济的不断向前发展,能源供需的矛盾正日益突出,我国能源资源的基本国情仍处于“贫油、少气、相对富煤”的情况,节能已成为平衡经济增长与处理社会可持续发展的一个关键。目前政府正大力发展节能措施,而热能作为可再生能源,它的传输和转换在能源技术中发挥着非常重要的作用,因此在储热节能这块仍具有前所未有的机遇和挑战。针对在中低温热应用及常规的相变蓄热储能系统中因储能材料与换热方式的不适配而导致无达成快速有效储能及热管理应用等使得能源的回收利用率低的问题,利用热管技术特点(均温性、冷热源分离、任意交换热流密度等等)与相变蓄热技术相结合去强化储能装置设计提出一种耦合热管的储能型热管理系统(HP-ESTMS)单元,并对系统在不同工况下进行相关实验,探索了相变材料的熔化凝固特性及系统的储能热管理性能。该热管理系统具有结构简单模块化,稳定性好、可靠性高等特点,是兼并散热储能的热管理装置,是应对节能挑战的优秀方案。该基于热管的储能型热管理系统(HP-ESTMS)使用烧结芯铜水热管作为传热元件,改性石蜡作为相变储能材料构成储能单元,同时使用水冷模块进行辅助冷却散热形成集散热储能于一体的热管理系统。在这项工作中,以电加热块放置于热管蒸发端模拟热源加热,搭造构建了一个研究储能热管理系统性能的实验平台。且考虑了相关条件对于系统各部分性能的影响,进行了不同工况下包括(热流密度的输入、冷负载的大小及装置在水平、倾斜45°、竖直摆放等)的实验。结合实验测试结果着重分析了热管的工作性能与储能单元中PCM的熔化凝固以及热源的温度变化,以此对系统的储能热管理性能进行评估。测试结果表明:(1)对于热管工作性能,随着储能装置的加入,热管整体温度与热阻降低,其热传导性更好。竖直放置作对比时,热管热阻降低了35.5%至44.5%,热阻在80W时存在最小值为0.05391℃/W,同时不同放置下热阻趋势图对比发现80W输入功率时有最小热阻区间。且可在较长时间内将其蒸发端的最高温度维持在90℃附近。这归因于储能装置加入,在热管绝热段相当于加入一个冷端,起着热缓冲的效果,使热管均温性等得到了保障,热管不会因为温度的升高过早出现烧干极限,可使热管的传热性能始终保持一个良好的状态,有效地提高系统的稳定性和可靠性;(2)储能装置的存在可有效降低蒸发端温度,虽然冷负载量的增大,导致散热效果更强,但PCM作为冷端吸收了部分蒸发端的热量,相较于单水冷时,可将整体温度维持在更高更平稳的区间,对于一些特殊设备的运行或许更有效,达到更经济的热管理效果;(3)通过对该热管理系统不同放置方向PCM熔化特性及内部热管热阻进行对比,发现系统水平放置时工作,系统中热管热阻最小,且一开始时候水平放置中部分PCM熔化更快,内部温度更高,但由于各种因素的影响(1、水平放置时,热优先由热管径向传热至第一冷端,同时受PCM导热系数与重力作用的影响,其轴向热传递较差,储能单元下部分出现死区,PCM无法完全熔化;2、竖直放置时热源处于下方,PCM之间热传递形成强烈的自然对流)导致竖直时候完全熔化更快,因此选择竖直放置较优,经粗略计算可得竖直放置自然散热时储能单元中储能量为60KJ,储能效率为6.9%。同时在环境温度为20℃时,对系统进行保温热管理节能方面实验测试,实验结果发现该系统的节能热管理效果是可行有效的,当需要系统整体温度控制在25℃以上时,储能单元中PCM充当热源由热管进行散热,无论任何放置下对系统整体均可保温达到300分钟。
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