摘要：中高温相变储热及再利用的方式是低碳经济与工业生产的有效手段。为了更高效地实现工业高温废热的利用，本文设计搭建并测试了一套高温相变胶囊梯级储热系统，采用了两种不同相变温度的多元碳酸盐材料作为储热材料，对换热工质空气的不同进口温度和进口流量的储放热过程进行了实验研究，研究内容主要包括储热罐中的温度变化、储热量以及储放热过程完成时间。实验结果表明在进口温度为500℃的工况下，系统的储热量可以达到30000 kJ，系统进口流量的提高会缩短储热时间，对系统总储热量影响较小，并分析了不同工况下储热罐体内相变材料平均液相率对系统总储热量的影响。同时测试发现系统中设置的空气预热器使得系统的高温尾气与常温进气进行热量交换，可以有效实现高温尾气的余热利用。相变实验的研究结果为高温相变储热技术的实际应用提供了系统运行参数的影响规律和优化准则，具有很高的参考价值。
1前言
推动相变储热技术的发展是提高能源综合利用效率，促进电力系统改革与转型，帮助我国进入绿色减碳新时期的关键举措。随着各工业领域的高温储热需求不断增加，与之相应的高效高温储热系统的设计研究也受到了广泛的关注。因此，高温相变储热系统的研究与应用具有不可估量的经济、社会以及生态效益，符合我国大力推进生态文明建设的可持续发展部署。
梯级相变储热系统是根据换热流体在流动方向上的温度变化趋势布置具有不同熔点的相变材料以保持近似恒定的传热温差，从而使得整个传热过程的效率更高。由于相变材料可能存在导热系数较低、具有腐蚀性、过冷度大等问题会影响到整个系统的传热性能，可以选择将相变材料封装成胶囊的形式进行储热。胶囊的表面使相变胶囊与换热流体之间的传热面积大幅提高，胶囊外壳多采用导热系数较高的材料制成，从多个角度实现系统传热性能的有效提高。
研究人员针对各类相变梯级储热系统进行了大量实验研究。Yuan等人对包含三个储热单元的梯级高温相变储热系统的储放热过程进行了实验分析，相变材料选择了三种相变温度不同的三元碳酸盐。实验结果表明，梯级储热系统总储热量和总放热量比单级系统分别高出39.51%和35.74%。Peiró等人对熔点在150℃-200℃的相变材料苯二酚和d-甘露醇所构成的单级和梯级储热系统进行了实验评估，结果表明，梯级相变储热结构相较单一相变材料结构储热效率提高了19.36%，这是因为换热流体的出口温度分布会更加均匀。马朝等人搭建了相变材料为二元碳酸盐的高温套管式梯级相变储热系统，测试了相变材料的热物性参数以及储热系统的储放热性能。分析实验结果发现，在放热过程中相变材料存在一定的过冷现象。由于各处相变材料冷却速度不同，过冷度也存在差异，为了提高系统放热率应尽可能避免过冷现象。同时在相变材料侧设置肋片会有效均匀温度分布，提高系统平均储放热速率。
由于高温相变胶囊梯级堆积床储热系统投入成本高，设计搭建复杂，运行控制难度大，目前相关的实验研究内容仍不够完善，对储热系统各个工作过程的温度变化规律分析不够全面。本文根据制备的两种不同相变温度的相变储热胶囊搭完成设计并且搭建了一套高温相变胶囊堆积床梯级储热系统，研究了进口流量、进口温度等参数对系统储放热性能的影响，同时分析了系统的保温性能。
2相变材料与胶囊制备
2.1相变材料选择
无机盐类储热工质（氟化物、氯化物、碳酸盐、硝酸盐等）是中高温储热工质研究应用的主要方向,融化后会形成传热和储热能力较好的熔融体，具有稳定性强、工作温度高、成本低等优势。为了实现系统在高温下梯级储放热，本文选择了两种相变温度分别为400℃、488℃的相变材料，两种相变材料均由多元碳酸盐构成（下文用PCM400、PCM488表示），并对两种相变材料进行了DSC测试和物性参数的表征。相变材料PCM400和PCM488的主要物性参数如表1所示。
表1相变材料PCM400和PCM488的物性参数
2.2相变胶囊制备流程
本文选择304不锈钢球作为相变胶囊的封装形式，可以利用其批量生产成本低和导热系数较高的优势，且作为相变材料的包裹材料其具有一定力学性能以支撑壳体在冷热流体交替中的产生的物理变化以及内部相变材料在储放热过程中发生体积变化带来热应力。
制备相变储热胶囊的过程中首先要加工出相变胶囊的不锈钢球形壳体，并在顶部开一个用于灌装相变材料的圆孔，相变材料填充完成后进行胶囊的封装。相变材料受到高温加热时会由固相转变为液相，因密度减小导致体积膨胀，因此在将相变材料装入不锈钢壳体时需要预留一定的余量。灌装相变材料时先将相变材料加热成熔融状态再进行灌装，设定胶囊填充率为80%，留有20%的空气在胶囊内部。为了保持高温相变材料处于熔融状态，采用马弗炉作为完成相变储热胶囊内部材料灌装的设备，并在相变材料灌装完成后采用焊接的方式密封相变胶囊。相变胶囊制备完成后对高温相变胶囊进行热稳定性测试，观察制成的高温相变储热胶囊是否有泄露现象。
图1马弗炉内加热灌装
图2封装完成的相变胶囊
2.3密封性检验
1）将封装好的相变储热胶囊并排叠放在耐高温支架上；
2）将耐高温支架同相变储热胶囊一同放入马弗炉中，从常温25℃经过60 min升温到500℃，保持2小时；
3）待马弗炉冷却后，观察相变储热胶囊内的相变材料是否流出及高温相变储热胶囊壳体表面的氧化及受损程度。
最终制备完成的两种相变材料的高温相变储热胶囊的理论储热量可由式（1）算出。
