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摘要：随着能源需求的增加和环境保护意识的提高，储能技术逐渐受到关注。相变材料是一种能够在温度变化时进行相变并储能的特殊材料。本文基于复合相变材料的填充床储热实验研究，探讨了传热工质流量和温度以及复合材料配比对填充床储热系统的蓄放热性能影响，获取了相关参数对系统储热性能内在变化规律，为实际工程应用提供实验参考。

关键词：复合相变材料；填充床储热；实验研究；碳基材料

1引言

基于复合相变材料的填充床储热是一种新兴的热储能技术，近年来受到了广泛的关注。该技术采用复合相变材料填充床体，通过相变材料在储热和释热过程中的相变吸放热特性，实现储存和释放热能的目的。本文将对基于复合相变材料的填充床储热实验研究的现状进行综述。首先，目前的研究主要集中在相变材料的选择和优化。相变材料的选择对于储热系统的热性能有着重要的影响。研究人员通过实验和模拟方法，对不同种类的相变材料进行了热性能测试和评估。常见的相变材料包括有机相变材料、无机相变材料和复合相变材料等。有机相变材料具有较高的相变潜热和相变温度范围，但在循环稳定性和导热性能方面存在一定的不足。无机相变材料具有较好的循环稳定性和导热性能，但相变温度范围相对较窄。为了综合利用各种优势和弥补不足，研究人员还提出了复合相变材料的概念。复合相变材料将有机相变材料与无机相变材料结合在一起，既能够实现较高的相变潜热和相变温度范围，又能够提高循环稳定性和导热性能。其次，填充床结构的优化也是当前研究的热点之一。填充床结构的设计对储热系统的热传导和储热效率有着重要的影响。研究人员通过实验和模拟方法，研究了不同结构参数对填充床的热传导和储热性能的影响。常见的结构参数包括填充床颗粒的形状、尺寸和排布方式等。研究发现，颗粒的形状和尺寸对填充床的热传导有较大的影响。具有较大表面积和孔隙率的颗粒可以提高热传导效率，并且对相变材料的封装也有一定的作用。此外，填充床颗粒的排布方式也对储热性能有着重要的影响。合理的颗粒排布方式可以提高相变材料的利用率和储热效率。此外，研究人员还进行了填充床储热系统的实验研究。他们搭建了实验平台，对填充床储热系统的热性能进行了测试。实验结果表明，基于复合相变材料的填充床储热系统具有较高的储热效率和循环稳定性。填充床储热系统可以实现高效的储热和释热过程，具有较好的应用前景。研究人员还通过对系统各个部件的参数优化和改进，进一步提高了填充床储热系统的性能。

总的来说，基于复合相变材料的填充床储热实验研究已经取得了较大的进展。未来的研究可以进一步深入探讨填充床结构的优化、相变材料的选择和优化，以及填充床储热系统的参数优化和性能改进。通过不断的研究和创新，基于复合相变材料的填充床储热技术有望在太阳能热利用、建筑节能和工业生产中得到广泛的应用。

2. 填充床蓄放热实验系统与评价指标

本文所构建的填充床蓄放热系统如图1所示，填充床蓄放热系统主要由球形相变蓄热单元、床体、以及温度测试系统组成，选取填充材料为PC-13复合材料，传热流体控制系统包含恒温水浴箱、流量计、循环泵、手动调节阀、循环管路以及旁通管路，其中恒温水箱容积为100L，整体管路为DN25钢管，填充床床体部分及管路覆盖了20mm保温泡棉，旁通管路的作用是实验前用于测试传热流体的温度及流量是否稳定，床体的温度测试系统布置在床体的1/4、1/2和3/4处，用于测量床内传热流体的温度，出入口的温度测点在管道内。床内球形相变储热单元采用均匀错列布置，每层布置8个球体，分5层布置，出入口处为保证传热流体平稳，布置均流板，其中底部均流板除保证传热流体平稳外，还有起到支撑整体球体的作用。

在蓄热实验前，首先将恒温水浴箱温度设置为35℃，待水浴温度达到35℃后，启动循环泵，使填充床内充满传热流体并且球内测点温度达到35℃后，关闭循环泵，试验台进入保温状态，提升恒温水箱温度至实验工况温度，待达到实验工况温度后，进行蓄热实验。

3实验结果分析

3.1  传热工质流量对填充床蓄放热性能影响

蓄热阶段入口温度为80℃，放热阶段入口温度为35℃，入口流量分别为60L/h、90L/h、120L/h进行实验。图2-10为PCM1处相变蓄热单元中心温度，随着流量的增加，球内蓄热时间有着显著的缩短，造成这种现象的原因在于流量的增加，强化了HTF与球形相变蓄热单元之间的对流传热。120L/h工况下完成相变完成时间为1524s，而60L/h工况下完成相变的时间为2322s。缩短了34.32%，120L/h工况下固态升温速率可达0.063℃/s，蓄热速率为867.12J/s，而60L/h工况下固态升温速率为0.035℃/s，蓄热速率为532.72J/s。各个工况下PCM1、PCM3、PCM5之间没有明显的变化，当流量从60L/h增加至120L/h时，固态显热时间缩短了40.2%，液态显热时间缩短了44.2%，相变潜热时间缩短了38.7%，由此可以，流速对蓄热影响最大的阶段为液态显热阶段。随着流量的增加，蓄热效率由74.24%提升至82.03%，蓄热效率提升了5.63%。

放热阶段PCM1球心温度的影响，与蓄热阶段相同，放热过程中随着入口流量的增加球形相变蓄热单元放热速率增大、放热时间缩短。流量由60L/h提升至120L/h，PCM1处放热时间缩短了1164s，从图中可以看出，随着流量的增大，各个球心处变化规律基本相同。同时，液态显热阶段降温速率提高了63.4%，潜热放热时间缩短了32.3%，固态显热阶段降温速率提高了16.8%，120L/h工况下放热速率为400.44J/s，60L/h工况下放热速率264.14J/s，流量的增加，放热速率提升了51.6%，放热效率由65.17%提升至77.02%，提升了11.32%。

在一个蓄放热循环下，PCM1、PCM2、PCM3三个测温点的温度分布，随着流量从60L/h增加至120L/h，蓄放热循环时间由6642s缩短至4680s。缩短了29.53%。同样我们可以从发现，流量变化在蓄放热周期内，对液态显热放热阶段影响最大。周期内蓄放热效率由59.62%提升至70.37%，增加了10.75%。在120L/h工况下，固态显热阶段时间占总时间的49.93%，液态显热阶段占21.34%，相变潜热阶段为29.72%，造成这种现象的原因在于固态显热阶段球形相变蓄热单元的导热系数低于液态显热阶段球形相变蓄热单元。

3.2 传热工质温度对填充床蓄放热性能影响

流速为90L/h、入口温度分别为75℃，80℃，85℃，90℃下进行实验，分析入口温度对填充床蓄放热性能的影响，由图2-11可以发现，90℃工况下PCM1号测点最先达到相变温度，并完成相变，这是因为HTF温度与填充床初始温度的温差大，传热驱动力大，在固态显热蓄热阶段，90℃工况的升温速率可达0.062℃/s，完成相变潜热阶段所需时间为362s，而75℃工况的升温速率为0.048℃/s，相变潜热阶段完成时间为478s，随着入口温度的升高，固态显热阶段升温速率提高了29.1%，相变时间缩短了24.2%，各组有效蓄热量分别为1158.36kJ、1250.56kJ、1434.9.8kJ、1569.55kJ、75℃工况下平均蓄热速率为529.83J/s，90℃工况下平均蓄热速率为826.42J/s，可以发现随着入口温度的升高，有效蓄热量提升了35.49%，平均蓄热效率提高了56.14%。蓄热效率由75℃工况下的82.56%提高至90℃工况下的86.44%，提高了约4%。

在放热过程中初始温度分别为75℃，80℃，85℃，90℃，入口温度为35℃，流速为90L/h，由图2-11可以发现，75℃工况下最先完成潜热放热过程，主要原因在于75℃工况相较于其他工况，初始温度低，填充床储存的热量少。在液态显热阶段，90℃工况的降温速率最大，为0.037℃/s，75℃的降温速率最小，为0.021℃/s，固体显热阶段，90℃工况所需的时间为2722s，75℃工况下的降温时间为2952s。各工况的放热量分别为1091.49kJ、1236.82kJ、1375.08kJ、1496.27kJ，75℃工况下的平均放热速率为234.47J/s，90℃工况下的平均放热速率为351.48J/s，随着初始温度的提高，有效放热量提高了27.05%，平均放热速率提高了49.90%。放热效率由75℃工况下的77.79%提高至90℃工况下的86.44%，提高了约4%。

在一个蓄放热循环下，75℃、80℃、85℃、90℃四组工况完成循环的时间分别为7152s、6648s、6321s、6243s，随着入口温度的提高，各工况所需要的时间减少，但减小幅度依次下降，同时我们可以发现，在液态显热阶段，蓄放热有着类似的曲线，但在固态显热阶段，蓄热时间明显短于放热时间，主要原因在于凝固过程中没有自然对流的作用，故造成了放热时间大于蓄热时间，各组工况的蓄放热效率分别为64.23%、65.17%、70.07%、71.24%。随着改变传热流体入口温度，填充床蓄放热性能提升。结果显示温度改变所造成的影响要小于流量改变所造成的影响。

3.3 复合材料配比对填充床蓄放热性能影响

选取流速为90L/h，HTF入口温度为80℃，球形相变单元内分别填充3%、6%、9%多孔碳基体进行实验，分析添加比例对填充床蓄热性能的影响，由图2-12可以发现，添加比例对填充床的蓄热性能影响较大，在固态显热阶段、相变潜热阶段、液态显热阶段均有着较大的影响。在固态显热阶段，升温速率由0.041℃/s提升至0.095℃/s，提升了131.17%，相变潜热阶段由523s缩短至237s，缩短了91.57%，但由于多孔碳添加比例的增加导致棕榈酸比例下降，填充床的理论蓄热量由1540.54kJ下降至1467.512kJ，下降了4.7%。各个工况下蓄热效率分别为81.17%、84.42%、87.13%，提高了5.96%。平均蓄热速率由658.19J/s提高至1315.579J/s，提高了99.87%，由此可见基体比例对复合相变材料填充床蓄热性能影响较大。造成这种影响的主要原因在于随着基体比例的增加，提升了复合相变材料的导热系数。

放热周期可以发现与蓄热周期类似，基体比例对复合相变材料填充床放热性能影响也同样较大，液态显热阶段由783s缩短至532s，缩短了32.05%，相变潜热阶段由1023s缩短至384s，缩短了166.34%，固态显热阶段缩短了1862s。总体来看，9%工况下最先完成放热过程，其次是6%工况，最后是3%工况，平均放热速率随着基体比例的增加而增大，由265.69J/s增加至580.49J/s，增加了118.48%，各个工况下的放热效率分别为80.28%、83.01%、88.36%。由于多孔碳的添加导致棕榈酸比例下降，各个工况下有效蓄热量差距较小，为2.6%。即多孔碳的增加提升了复合相变材料填充床放热效率，但有效蓄热量无明显变化。

图2-12为在一个蓄放热周期下填充床内各点温度分布，其中3%、6%、9%三组工况完成蓄放热周期所需要的时间分别为6648s、3267s、2284s，基体比例的增加极大的缩短了复合相变材料填充床蓄放热周期所需要的时间，缩短了191.06%，复合相变材料填充床的蓄放热效率由61.17%提升至77.02%，提升了15. 85%。可以看出基体比例对复合相变材料填充床的蓄放热速率影响最大，其次是传热流体入口温度，最后是传热流体入口流量，即提高球形相变储热单元的导热系数可以极大地提升填充床蓄放热速率。

4结论

（1）在填充床储热实验中，当入口流速由60L/h提升至120L/h时，蓄放热过程中总效率59.62%提升至70.37%，提升了10.75%，入口流速对填充床蓄放热性能的影响主要在于提升了传热流体与球形相变蓄热单元之间的对流传热作用。

（2）入口温度对复合相变材料填充床蓄放热系统的影响要弱于入口流速对其的影响，当入口温度由75℃提升至90℃时，蓄放热过程中总效率由64.23%提升至71.24%，入口温度对填充床蓄放热性能的影响在于初始温度不变时，入口温差的提升会导致传热温差的增加，增加了传热驱动力。

（3）生物质多孔碳的添加比例对复合相变材料填充床蓄放热系统影响最大，当多孔碳添加比例由3%提升至9%时，蓄放热过程中总效率由61.17%提升至77.02%，提升效果明显。