基于石蜡相变储热的隔热保温性能实验研究_高超.pdf

常熟理工学院学报（自然科学）Journal of Changshu Institute of Technology（Natural Sciences）第 37 卷第 2 期2023 年 3 月Vol.37 No.2Mar.,2023基于石蜡相变储热的隔热保温性能实验研究高 超1a,1b，张琦炜1b，吕广伟1b，廖丽莎2（1.常熟理工学院 a.江苏省高校机电产品循环利用技术重点建设实验室；b.机械工程学院，江苏 常熟 215500；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）摘要：高寒地区地广人稀，电力及其他形式能源供给落后 为保障高寒地区水处理设备在低温环境下正常运行，对其保温技术作了研究 首先对布置于水处理模拟设备上的柔性管路及其排列间距进行了研究；其次，以石蜡作为储能材料，分析了柔性管路套管结构中，储能层的储热性能；最后对储能层与设备之间，储能层与外围结构之间的隔热性能进行了研究 实验结果表明，在环境温度-20 条件下，水处理设备与储能层之间形成了温度梯度，设备内部保持在 8 左右的时间为57 d，保证设备水温能工作在正常温度状态，储能层向外界扩散的热损失较少，可满足低温环境下水处理设备的防冻需求关键词：水处理设备；防冻；相变储热 中图分类号：:TH703 文献标志码：A 文章编号：1008-2794（2023）02-0115-05收稿日期：2022-03-17基金项目：青海省科技成果转化专项“基于光伏提水的高寒牧区饮水安全技术研究与示范”（2021-NK-123）通信作者：高超，副教授，博士，研究方向：新能源装备设计及制造，E-mail：0 引言高寒地区年平均气温低以青海省为例，青海省农牧区海拔大多在 3 000 m 以上，日平均气温低于 0 的时间达 46 个月持续的低温会导致农牧区供水设备无法正常运行甚至损坏，使基础设施本来就薄弱的农牧区供水问题更加雪上加霜，严重影响供水安全和生产生活 农牧区以分散式供水工程为主 1，电力及其他形式能源供给落后，无法采用电伴热或蒸汽伴热等高成本的方式对供水设备进行防冻保温 2-3，因此研发无常规电力供应的供水设备防冻技术，确保设备正常运行，就显得意义重大目前国外很少见到关于水处理设备防冻的资料，国内部分学者研究了基于农村供水工程的防冻技术李亚龙等 4 分析了农村供水工程冻害问题及成因，研究了典型地区农村供水防冻措施及效果，如针对管道保温，采用电伴热保温措施及保温材料（防腐层+绝热层+防水层+保护层），对户外水龙头设置防冻给水栓，以及采取“机井-变频柜-管网入户”技术模式实现防冻余林 5 针对新疆偏远地区供水冻管的问题，从工程技术的角度，如深埋管道、包覆隔热材料以及采用防冻水栓等，对防冻效果进行了研究吴相杰等 6 通过计算分析得出，仅通过增加保温层厚度，无法满足管道设备防冻问题，必要时需设置电伴热进行保温防冻上述研究更多通过常规电力供应下的电伴热，以及通过简单的包覆隔热材料等实现保温防冻目的而高寒地区供水工程分散，很多地区并不具备常规电力供应的条件，且电伴热成本非常高，因此，研发无常规DOI:10.16101/32-1749/z.2023.02.014常熟理工学院学报（自然科学）2023 年116电力供应下的水处理设备防冻技术就显得非常有意义相变储热热量密度高，发展潜力巨大，且相变储热放热过程基本保持恒温，可以减少储热和释热过程中温度平台的能量损失 7-8 石蜡作为低温相变材料，其价格低廉、无毒无污染、腐蚀性小，且化学性质稳定，因此石蜡是一种较为理想的实现低温范围保温的相变材料陈宇 9 对管壳内石蜡相变的传热过程进行了模拟，对石蜡传热的过程和规律也做了深入研究采用储热材料对供水设备进行防冻保温的研究目前还没有看到本文以石蜡为储热材料，结合聚氨酯隔热材料，研究其热量释放规律，分析其对设备保温性能的影响，从而实现设备防冻本研究对指导高寒地区防冻装备设计具有重要的理论意义和应用价值，有助于保障高寒地区农牧区饮水安全，助力国家乡村振兴战略1 实验方案高寒地区水处理设备单元为直径 20 cm，长 60 cm 的圆柱形结构实验中采用 PVC 圆柱模拟水处理设备，按原尺寸 10.5 缩小建立实体模型其管口直径为 10 cm，管长为 30 cm 同时设计了柔性套管，套管内管充传热介质（水），套管间填充低温石蜡（熔点 30，相变潜热值为 180 J/g）对柔性管路缠绕间距以及箱体隔热进行设计，并对整体保温性能进行验证采用“古乐居”牌阻燃聚氨酯作为隔热材料，发泡量大、防水性好、抗收缩性能好采用“荣泰”数显温度传感器，测温范围为-18110，分辨率为 0.1 采用“珠峰”牌冰柜模拟低温环境，容量为 518 L，可设置最低温度-28 其他实验仪器及材料还包括“索沃牌”电子秤（精度 0.1 g）、PVC 板材、透明水管、电子卡尺、热缩管、酒精炉、不锈钢卡扣等1.1 柔性管路缠绕保温装置柔性管路缠绕保温核心内容在于管路设计、相变储热材料与隔热材料三个方面，具体结构如图 1 所示1.1.1 套管组合方式与相变材料熔化程度对比实验根据相变材料熔化程度分析最佳柔型管路组合方式，优选最佳的套管管壁厚度及内外管直径 实验步骤如下：（1）套管内通热管将 30 低温相变石蜡装入塑料袋，称重，并将温度传感器封装 石蜡在管内均匀排布，同时管内也封装温度传感器 输入热量，观察石蜡状态变化情况，并记录温度以内径 10 mm 和内径 8 mm 的硅胶管分别做对比实验（2）套管中热管的加热性能测试：在外径16 mm管内图 1 柔性管路缠绕保温装置结构图 2 采用热缩管对管路封口图 3 包裹聚氨酯分别以内径 10 mm 和内径 8 mm 硅胶管作为导热管管间充低温相变石蜡，顶部预留 2 cm 空段防止石蜡体积膨胀破坏管路在石蜡中封入温度传感器，套管底部和顶部用生胶带包裹，涂上专用 PVC 管道黏胶后采用热缩管，用酒精炉加热封口 封口处套2层热缩管，防止石蜡泄露，如图 2 所示再通过漏斗充入 60 的热水，观察相变石蜡熔化情况，记录温度（3）对水处理设备包裹聚氨酯，如图 3 所示1.1.2 柔性管路缠绕方式对比实验根据上述实验得到管路组合方式，并进行柔性缠绕，分析最佳的缠绕方式水处理设备（通过小孔传热）（外管内填充相变材料）（内管导热）外部厚保温层防氧化防老化层薄保温层柔性管路柔性管路第 2 期117（1）选取直径 10 cm 的 PVC 管 30 cm，端部用管道黏胶粘结使其不漏水，粘结时内部封入温度传感器（2）使用聚氨酯发泡胶用模具做成底座，再整体包裹聚氨酯发泡胶（3）发泡胶上按不同缠绕方式的组合挖槽，管路之间间隔分别为 0，0.5，1.0 cm，并将组装好的柔性管路嵌入其中在管路间放置温度传感器，使用聚氨酯发泡胶将其挖槽填充通入一定温度的热水将低温相变石蜡加热外置管路同样用聚氨酯发泡胶封住（4）设置整体装置的外部环境温度为-20（即设置冰柜温度至-20），记录装置内部温度变化1.2 隔热材料包覆型箱体保温装置箱体采用 PVC 绝热板，通过管路布置设计箱体大小，切割板材并利用金属卡扣固定成型箱体尺寸：43.3 cm43.3 cm37.7 cm，如图 4 所示箱体外部、底层及转角包覆聚氨酯，防止热量过多散失，如图 5 所示将箱体放入冰柜中，模拟低温环境，如图 6 所示实验步骤：（1）记录水处理设备在-20 冰柜中的温度变化情况，即箱体在不加任何隔热措施条件下的温度变化情况；（2）记录包裹聚氨酯的水处理设备箱体在-20 冰柜中的温度变化情况，以验证聚氨酯隔热材料的隔热性能及可行性；（3）记录包裹聚氨酯同时放入相变材料石蜡的水处理设备箱体（箱体外面不包覆聚氨酯）在-20 冰柜中的温度变化情况，以验证隔热材料包覆相变储热箱体保温性能；（4）在（3）的条件下布置通孔后再次进行实验，记录温度变化情况，以验证最终设备模型的可行性 图 4 箱体 图 5 包覆后箱体测温 图 6 模拟低温环境测温表 1 管路组合性能解析表1.3 保温方案可行性验证在完成上述实验的基础上进行整体模拟实验：柔性管路长 3.5 m，内部填充相变石蜡500 g，缠绕间距 0.5 cm，外部包裹聚氨酯材料，封装温度传感器；设置环境温度为-20，待水温下降至 810 时，加热相变材料 5 min，待相变材料温度升高后，将入水口和出水口封闭，置于-20 环境中，记录温度变化2 结果与讨论管路数据/mm熔化时间/s融化程度柔性程度容量选择结果20+8316均匀受热完全熔化最好（可随意弯折）较大采用18+8252均匀受热完全熔化中等（可弯折，弯折一定角度后会出现堵塞内部的情况）较大不用18+10230均匀受热完全熔化同上较大不用40+20400受热不均，部分熔化2/3且出现小袋受热膨胀泄露的情况同上最大不用2.1 管路组合方式实验结果与讨论通过几种管路组合方式的石蜡熔化对比得到相应管路的性能效果表现，如表 1 所示四种组合方式分别为：20 mm 管套加 8 mm 导热管、18 mm 硅胶管套加 8 mm 导热管、18 mm 硅胶管套加 10 mm高超，等：基于石蜡相变储热的隔热保温性能实验研究常熟理工学院学报（自然科学）2023 年118导热管、40 mm 管套加 20 mm 水管（管路数据均为外径），套加后外管与内管壁之间填充石蜡 因水管壁较厚使用 10 mm 导热管时，填充空间过小，所以忽略此选项分别从熔化时间、融化程度、柔性程度等方面进行性能分析综合表1结果，选取20 mm水管加8 mm导热管作为管路组合搭配2.2 柔性管路缠绕方式实验结果及讨论间距分别为 0 mm，0.5 cm，1 cm 实验结果表明：排布越密集水温升高越快；采取最密集排布方式时需要将聚氨酯全部剔除，但会导致传热过快、水温快速上升，不能很好地实现缓慢吸热的目的；而间距为 0.5 cm 及 1 cm 时，因为中间有聚氨酯阻隔，散热速度较为理想；二者对比之下0.5 cm间距可以储存更多相变材料，保温性能更好故最终选择0.5 cm 间距方案2.3 储热箱体的保温性能实验结果与讨论第一次实验的时间段为 15：2818：28，共 3 h，每隔1 h 记录 1 次，共记录了 4 组有效数据，如图 7（a）所示图7（a）中，折线的斜率很大，表明温度下降速率很快；图像基本呈线性分布，说明水处理设备不加任何保温装置时水温下降很快，即水处理设备在高寒地区无法保证最基本的生活需求第二次实验从 15：28 开始，一直测量到 20：28，水的初始温度为常温，每隔 1 h 记录 1 次数据，如图 7（b）所示相比于第一次实验，图 7（b）的折线变化很小，斜率变化很小，说明水温的下降速度得到了控制，并且在第 1 个小时内温度几乎保持不变，说明聚氨酯层起到了较好的隔热效果第三次实验持续了 7 h如图 7（c）所示，折线在开始的1 h 内水温持续上升，原因是石蜡温度远高于水处理设备中水的温度，水被加热温度就升高了在第 2 个和第 3 个小时内折线下降趋势平缓，说明石蜡相变过程中释放的热量阻止了水温的急速下降 4 h后折线明显下降，水温下降速度变快，说明石蜡相变过程结束，不再向外界释放热量最后一组实验测量的是包含隔热及储热材料的储热箱体在-20 环境中水温以及石蜡温度的变化情况 此次实验记录了 13 组数据，如图 7（d）所示可以看出水温变化折线的斜率基本上维持不变，在 18：0019：00 这 1 h 内折（a）无保温装置时的水温变化（b）采用聚氨酯层隔热后的水温变化（c）采用储热材料后的水温及石蜡温度变化（d）采用储热箱体后的水温及石蜡温度变化图 7 储热箱体保温性能测试的水温及石蜡温度变化线有向上的趋势，表明水温在前一个小时内不断上升此时的石蜡温度远高于水温，因此水温是升高的当石蜡温度下降到 26.8 时，在 3 h 内石蜡处于相变临界点，不断向外界释放热量，致使水温能基本维持在室温 21.5 当石蜡温度低于 25 时，水温明显下降，表明此时石蜡基本已完成相变，不再向外界（水处理设备）提供热量5 h 的时间段，水温只下降了