Методика проведения эксперимента модели аккумулятора теплоты с фазовым переходом вещества

АННОТАЦИЯ

Рассматриваемой статье приведены методика проведения эксперимента между теплоаккумулирующим материалом изменяющегося свою агрегатное состояния т.е. с фазовым переходом и теплообменного аппарата для ускорения процесса теплообмена с различными поверхностями нагрева.

ABSTRACT

The article under consideration shows the technique of the experiment carried out between the heat-accumulating material changing its aggregate state, i.e. with phase change and heat exchanger to accelerate the process of heat exchange with different heating surfaces.

Ключевые слова: Теплоаккумулирующий материал, аккумулятор, скрытая теплота, температура плавления, оребренные поверхности.

Keywords: Heat storage material, battery, latent heat melting point, finned surfaces.

Эксперементиальная установка аккумулятора теплоты с фазовым переходом всщества приведены на рисунике 1.

Вода в термостате догревалась до нужной температуры. Затем включался насос и нагретая вода начинала циркулировать в системе через байпасную линию, минуя модель аккумулятора. При этом выставлялся с помощью ротаметра нужный расход. После этого вода подключалась к модели аккумулятора и байпасная линия отключалась. С этого момента начинался собственно эксперимент. (рис. 1)

Рисунок 1. Принципиальная схема экспериментальной установки АТФПВ (аккумуляторы теплоты на основе фазового перехода веществ)

1. Модель аккумулятора теплоты; 2. Игольчатый вентиль; 3. Ротаметр; 4. Контактный термометр. 5. Соединительный шланги; 6. Ртутный термометры; 7. Термостат; 8. Хромель-копельевые (ХК) термопары; 9. Потенциометр КСП-2.

Рисунок 2. Изменение доли расплава по времени, при наличии в объеме аккумулятора алюминевой стружки. ТАМ-парафин

Измерения температуры в тепло аккумулирующий материале внутри модели велись непрерывно и постоянно записались на диаграммной ленте потенциометра КСП-2. Измерения температуры на входе и выходе из модели проводились каждые 15 минут. В это же время снимались боковые теплоизоляционные крышки на модели с целью фиксации положения фронта давления.

Для этого к прозрачной к плексигласовой стенке заранее прикреплялась прозрачная бумага с координатной сеткой, через которую четко просматривалось положение границы фазового перехода. На этой бумаге положение границы фазового перехода фиксировалось фломастером и теплоизоляционные крышки закрывались.

Такое измерение проводилось с интервалом в 15 минут до тех пор, пока полностью не расплавлялся теплоаккумулирующий материал в модели аккумуляторы теплоты на основе фазового перехода. С этого момента горячая вода от аккумуляторы теплоты на основе фазового перехода отключалась и к нему подключалась холодная вода. При этом все измерения продолжались с той же цикличностью до момента полного затвердевания теплоаккумулирующий материала в модели.

В ходе эксперимента горячая вода подавалась на вход как снизу, так и сверху. Вначале была проведена серия экспериментов при нижней подаче воды. При этом горячая вода подавалась на вход на четырех температурных уровнях: 60, 65, 70 и 75 при расходе 40 кг/ч. В результате выявлена сильная зависимость времени плавления теплоаккумулирующий материала от температуры теплоносителя (см. Рис. 2), с ростом температуры теплоносителя время плавления первого резко сокращается.

Однако после определенного значения температуры теплоносителя дальнейшее ее увеличение не приводит сколько-нибудь значительному уменьшению времени плавления. Характер продвижения фронта фазового перехода указывает на сложный механизм передачи теплоты от стенок канала с теплоносителем к массе теплоаккумулирующий материала (Рис.2). При этом в начальный момент теплопередача происходит путем теплопроводности, о чем говорит тот факт, что граница фазового перехода эквидистантна стенкам обогреваемого канала по всей высоте аккумуляторы теплоты на основе фазового перехода. Однако с течением времени форма расплавленной зоны начинает отклоняться от цилиндрической. При этом скорость движения границы фазового перехода в верхней части аккумуляторы теплоты на основе фазового перехода значительно превышает аналогичный параметр для нижней части. Это явление однозначно указывает на изменение механизма теплопередачи, а именно на появление в расплаве естественной конвекции, которая приводит к искажению цилиндрической формы зоны расплава. Получив в результате этой серии экспериментов однозначную и ярко выраженную зависимость времени плавления теплоаккумулирующий материала, и от температуры теплоносителя на входе (или, что в принципе то же самое, от разности между температурой стенки обогревающего канала и температурой фазового перехода теплоаккумулирующий материала) и учитывая, что для реального аккумуляторы теплоты на основе фазового перехода очень важны высокие динамические характеристики, было решено в дальнейшем ориентироваться только на повышенные температуры теплоносителя.

Рисунок 3. Динамика развития процесса плавления теплоаккумулирующего материала (парафина)

В следующей серии экспериментов была выявлена зависимость времени плавления теплоаккумулирующий материала в аккумуляторы теплоты на основе фазового перехода от расхода теплоносителя.

При этом поток теплоносителя был направлен сверху вниз, а температура его на входе во всех опытах поддерживалась равной 75. Расход теплоносителя задавался на четырех уровнях: 4, 21, 40 и 180 кг/час. В результате экспериментов было установлено, что время плавления теплоаккумулирующий материала довольно сильно зависит от расхода теплоносителя, хотя и в гораздо меньшей степени, от температуры последнего на входе.

Выявлено также, что существует область расходов, где время плавления от величины расхода практически не зависит. Граничной величиной в этом случае можно считать расход 40 кг/час. Сравнение интенсивности плавления теплоаккумулирующий материала для различного направления тока теплоносителя показало, что направление сверху вниз предпочтительнее, так как в этом случае при одном и том же расходе теплоносителя время полного плавления теплоаккумулирующий материала в аккумуляторы теплоты на основе фазового перехода меньше (при расходе  кг/ч и температура теплоносителя на входе в аккумулятор  при токе сверху - вниз время полного расплавления составило 4 часа 30 мин, а при движении снизу-вверх-6 часов 50 мин). Исходя из этого все остальные эксперименты были проведены при движении теплоносителя сверху вниз. При затвердевании расплава картина была как бы перевернута-объем затвердевающей фазы вокруг канала с холодной водой постоянно увеличивался сверху вниз по ходу холодного теплоносителя. При этом с увеличением расхода при постоянной температуре холодного теплоносителя время затвердевания теплоаккумулирующий материала также уменьшается. Однако отклонение формы зоны затвердевания от цилиндрической выражено меньше, нежели зоны расплава при плавлении. Кроме того, по истечении определенного времени от начала процесса затвердевания граница фазового перехода размывается и четко определить ее положение визуально становится невозможным, что связано с конструктивными особенностями модели аккумуляторы теплоты на основе фазового перехода, а именно: при снятии передней теплоизоляционной крышки для фиксации положения фронта затвердевания происходит охлаждение расплава через плексигласовую стенку модели и на внутренней поверхности последней в результате появляется слой затвердевшего теплоаккумулирующий материала (парафина или каприновой кислоты),который не прозрачен. В этих условиях окончание процесса затвердевания фиксировалось по показаниям, термопар (внутри аккумуляторы теплоты на основе фазового перехода). Температура по показаниям всех термопар должна быть ниже температуры фазового перехода. Направление движения теплоносителя оказывает влияние на скорость затвердевания и в меньшей мере на форму образующейся зоны кристаллизации.

Выявлено, что движение охлаждающего теплоносителя снизу вверх более эффективно, по сравнению сверху вниз. При этом показание цилиндрической формы зоны кристаллизации вокруг охлажденного канала более значительно. Далее, в результате увеличения плотности твердой фазы относительно жидкой, верхняя граница теплоаккумулирующий материала в аккумуляторе опускается, на ней образуется твердая корка затвердевшего теплоаккумулирующий материала при любом движении направления теплоносителя, которая постоянно утолщается. Таким образом, кристаллизация теплоаккумулирующий материала в аккумуляторы теплоты на основе фазового перехода происходит не только вокруг охлаждающего канала, но и сверху вниз от верхней границы расплава внутрь последнего. Анализ результатов предварительного экспериментального исследования позволил сделать следующие выводы. Теплоноситель предпочтительнее подавать сверху вниз. При этом, даже в случае малых расходов теплоносителя при достаточно высокой его температуре, время плавления вполне укладывается в световой день. Затвердевание расплава происходит быстрее плавления. Возможно этот фактор обусловлен тем, что разность между температурой фазового перехода и температурой горячего теплоносителя в случае плавления была меньше, чем такая же разность относительно температуры холодного теплоносителя в случае затвердевания.

Далее, результаты экспериментов дают возможность высказать предположение, что существуют такие значения исследованных параметров (расхода, температура теплоносителей) при которых дальнейшее увеличение последних не оказывает существенного влияния на скорость протекания процессов в аккумуляторы теплоты на основе фазового перехода. Визуальные наблюдения за процессом плавления позволили установить довольно интересный факт перекристаллизации парафина при его нагреве температур, близких к температуре фазового перехода. Из аморфного непрозрачного состояния перед плавлением парафин переходит в стекловидное полупрозрачное состояние и только после этого плавится. В результате при визуальном наблюдении четко отмечается как бы два фронта - фронт плавления, а перед ним, на расстоянии около сантиметра вглубь твердой фазы - фронт кристаллизации. Предполагается, что в определенной мере такой характер процесса, связанный, по-видимому, со сложным до компонентным составом парафинов, отражается и на тепловых характеристиках аккумуляторы теплоты на основе фазового перехода. При обратном процессе-затвердевании, такой четко выраженной картины не наблюдается, однако при этом отчетливо различаются хаотическим образом расположенные зоны с различной плотностью твердой фазы. Следующим этапом экспериментальной программы являлось изучение влияния оребренияна интенсивность процессов в аккумуляторы теплоты на основе фазового перехода. В связи с особенностями конструкции модели аккумуляторы теплоты на основе фазового перехода исследовалось только поперечное оребрение. Ребра изготавливались из меди толщиной 1 мм. Количество ребер в экспериментах менялось дискретно - 1, 3, 8, 17, к которым соответствуют поверхности нагрева - 0,0083 м², 0,0249 м², 0,0664 м², 0,1412 м².

При этом для конструкции с одним ребром была проведена серия экспериментов с разными расходами (4, 21, 40 кг/ч, а для 17 ребер - при расходах 4 и 40 кг/ч). Во всех экспериментах температура теплоносителя была равна 75 .

Список литературы:

1. Абэ Йосиюки. Устройство аккумулирования скрытой тепловой энергии контактного типа с применением стойкого полиэтилена высокой плотности //Кагаку Когаку.-1982.-Т.46 №7, стр 350-352.
2. Сайто Т., Хиросэ К. Изучение аккумуляции скрытой теплоты с помощью сферических капсул /Пер. Рэйто, 1983, -Т. 58, № 672, стр 933-940.
3. А.C.Kalt Speicherung thermisher Energie in anlagen zur Nutzung der Sonnenenergie Oel+Gasfeuerung. 1980, vol. 25, № 11. 637-641.
4. Вринью Е. Исследование периодического режима работы аккумулятора тепловой энергии. Revue Generale de thermique fevrier 1984, T. 106, № 1, стр 183-188.
5. Стоев В. Исследование режима зарядки теплового аккумулятора при гравитационной циркуляции теплоносителя. Энергетика, 1980, Т.31, № 12, стр 8-11.