諾丁漢大學在熱管的熱能存儲
應(yīng)用方面取得新進展
文章信息
技術(shù)領(lǐng)域：熱管的熱能存儲應(yīng)用
開發(fā)單位：諾丁漢大學 Thomas C. Werner
技術(shù)突破：探究了一種以水為流動工質(zhì)的銅/鎳合金熱管在280 °C以上的性能，并獲得了沸騰極限、熱阻和等效熱導率等參數(shù)。
文章名稱：Thomas C. Werner, Experimental analysis of a high temperature water heat pipe for thermal storage applications, Thermal Science and Engineering Progress, 2020.
應(yīng)用價值：可用于指導中高溫水熱管的設(shè)計。
熱管是具有高導熱系數(shù)的結(jié)構(gòu)，其顯著優(yōu)勢是重量輕、可靠性高、易維護、使用壽命長。目前，跨越300 °C至500 °C溫度范圍的熱管仍處于研發(fā)階段。初步結(jié)果表明，在預計的毛細管和沸騰極限范圍內(nèi)，Cu / Ni-水熱管在最高300 °C的溫度下可以完全發(fā)揮作用，但是，需要進一步探索這些熱管在高于280 °C的溫度時毛細管和沸騰極限并量化其性能，這是本研究的重點。同時，本研究旨在證明新測試設(shè)備的功能能夠滿足最高350 °C的冷凝溫度。水熱管被用于試驗，以驗證和量化熱管應(yīng)用于熱能存儲的功能。該試驗設(shè)備將來還可用于測試新型中溫熱管流體。基于本研究開發(fā)的熱管正在進行壽命測試，以證實其長期功能。
該研究成功地提出了一種通過對輸出功率和熱阻進行分析來確定高溫水蒸氣的功率極限（在本例中為沸騰極限）的實驗方法。事實證明，如果冷凝溫度保持在300 °C以下，則在280 °C以上的溫度將水填充銅合金熱管用于蓄熱應(yīng)用是有效的。沸騰極限在1.1E-7和0.6E-7的最大成核半徑之間。熱阻值可以提供達到沸騰極限的替代指標，其中過渡區(qū)不太明顯。已經(jīng)通過實驗計算出了沸騰極限高于280 °C的銅合金/水熱管的等效熱導率值。在蒸氣溫度高于250 °C時，熱阻顯著增加。
圖1 實驗裝置示意圖（前綴“ E”，“ A”和“ C”分別表示位于蒸發(fā)段，絕熱段和冷凝段的熱電偶）
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技術(shù)領(lǐng)域：熱管的冰蓄冷應(yīng)用
開發(fā)單位：北京工業(yè)大學 全貞花
技術(shù)突破：使用微型熱管陣列的冰蓄冷設(shè)備可以獲得199.7 1/m的每單位體積水的熱交換面積和113.65 kJ/kg的能量存儲密度，相比循環(huán)熱管的冷能存儲功率高53.0％以上，儲能密度和蓄冰率分別高51.8％和51.1％。
文章名稱：Zichu Liu, Zhenhua Quan. Experimental research on the performance of ice thermal energy storage device based on micro heat pipe arrays, Applied Thermal Engineering, 2020.
應(yīng)用價值：提出的微型熱管陣列的冰蓄冷設(shè)備可以用于解決冰蓄冷的技術(shù)壁壘，包括水的導熱系數(shù)低，熱分層現(xiàn)象和經(jīng)濟性差等的問題。
冰蓄冷（ITES）和冷凍水存儲是最常用的冷能存儲類型，相比于冷凍水存儲，冰蓄冷因為具有優(yōu)越的能量存儲密度和幾乎等溫的相變過程，可以減小設(shè)備的尺寸。因此，近年來冰蓄冷受到了廣泛關(guān)注。然而冰蓄冷依然有許多尚未解決的技術(shù)問題，包括水的導熱系數(shù)低，熱分層現(xiàn)象和經(jīng)濟性差，這限制了該技術(shù)的進一步發(fā)展。為了克服這些限制，人們推薦使用熱管這一優(yōu)良的傳熱元件。與傳統(tǒng)方法相比，在沒有輸入功率的情況下，通過連續(xù)的蒸發(fā)冷凝，大量的熱可以在相當長的距離內(nèi)通過較小的橫截面?zhèn)鬟f。優(yōu)化冰蓄冷裝置的結(jié)構(gòu)是解決這些問題最經(jīng)濟，最合理的方法之一。
來自北京工業(yè)大學的科研人員開發(fā)了使用微型熱管陣列作為增強型傳熱元件的冰蓄冷設(shè)備。對所提出的裝置進行了實驗研究，以分析在不同入口溫度和傳熱流體的體積流量下的冷能存儲和釋放特性。結(jié)果表明，所提出的裝置顯示出優(yōu)異的傳熱性能，在固化和熔化過程中微型熱管陣列的最大溫差分別小于1.2 oC和1.5 oC。使用微型熱管陣列的設(shè)備每單位體積水的熱交換面積和能量存儲密度分別為199.7 1/m和113.65 kJ/kg。此外，研究人員比較了使用微型熱管陣列和循環(huán)熱管的冰儲冷裝置的性能。前者單根熱管的冷能存儲功率比后者高53.0％以上，即使其體積流量小于后者，前者的儲能密度和蓄冰率仍分別高于后者51.8％和51.1％。這是由于前者的高導熱性能，以及其表面更有利于通過增加散熱片來強化傳熱。
圖2 微型熱管陣列冰蓄冷裝置結(jié)構(gòu)圖: (a) 微型熱管陣列冰蓄冷裝置, (b) 微型熱管陣列, (c) 封閉矩形翅片, (d) 多通道扁管
