諾丁漢大學(xué)在熱管的熱能存儲(chǔ)
應(yīng)用方面取得新進(jìn)展
文章信息
技術(shù)領(lǐng)域：熱管的熱能存儲(chǔ)應(yīng)用
開(kāi)發(fā)單位：諾丁漢大學(xué) Thomas C. Werner
技術(shù)突破：探究了一種以水為流動(dòng)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(dǎo)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(jià)值：可用于指導(dǎo)中高溫水熱管的設(shè)計(jì)。
熱管是具有高導(dǎo)熱系數(shù)的結(jié)構(gòu)，其顯著優(yōu)勢(shì)是重量輕、可靠性高、易維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)。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(yù)計(jì)的毛細(xì)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(jìn)一步探索這些熱管在高于280 °C的溫度時(shí)毛細(xì)管和沸騰極限并量化其性能，這是本研究的重點(diǎn)。同時(shí)，本研究旨在證明新測(cè)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(yàn)，以驗(yàn)證和量化熱管應(yīng)用于熱能存儲(chǔ)的功能。該試驗(yàn)設(shè)備將來(lái)還可用于測(cè)試新型中溫?zé)峁芰黧w。基于本研究開(kāi)發(fā)的熱管正在進(jìn)行壽命測(cè)試，以證實(shí)其長(zhǎng)期功能。
該研究成功地提出了一種通過(guò)對(duì)輸出功率和熱阻進(jìn)行分析來(lái)確定高溫水蒸氣的功率極限（在本例中為沸騰極限）的實(shí)驗(yàn)方法。事實(shí)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(dá)到沸騰極限的替代指標(biāo)，其中過(guò)渡區(qū)不太明顯。已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算出了沸騰極限高于280 °C的銅合金/水熱管的等效熱導(dǎo)率值。在蒸氣溫度高于250 °C時(shí)，熱阻顯著增加。
圖1 實(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)單位：北京工業(yè)大學(xué) 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(chǔ)密度，相比循環(huán)熱管的冷能存儲(chǔ)功率高53.0％以上，儲(chǔ)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(jià)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(dǎo)熱系數(shù)低，熱分層現(xiàn)象和經(jīng)濟(jì)性差等的問(wèn)題。
冰蓄冷（ITES）和冷凍水存儲(chǔ)是最常用的冷能存儲(chǔ)類型，相比于冷凍水存儲(chǔ)，冰蓄冷因?yàn)榫哂袃?yōu)越的能量存儲(chǔ)密度和幾乎等溫的相變過(guò)程，可以減小設(shè)備的尺寸。因此，近年來(lái)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(wèn)題，包括水的導(dǎo)熱系數(shù)低，熱分層現(xiàn)象和經(jīng)濟(jì)性差，這限制了該技術(shù)的進(jìn)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(méi)有輸入功率的情況下，通過(guò)連續(xù)的蒸發(fā)冷凝，大量的熱可以在相當(dāng)長(zhǎng)的距離內(nèi)通過(guò)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(wèn)題最經(jīng)濟(jì)，最合理的方法之一。
來(lái)自北京工業(yè)大學(xué)的科研人員開(kāi)發(fā)了使用微型熱管陣列作為增強(qiáng)型傳熱元件的冰蓄冷設(shè)備。對(duì)所提出的裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(chǔ)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(guò)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(chǔ)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(chǔ)冷裝置的性能。前者單根熱管的冷能存儲(chǔ)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(chǔ)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(dǎo)熱性能，以及其表面更有利于通過(guò)增加散熱片來(lái)強(qiáng)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
