導(dǎo)流隔板式相變儲(chǔ)熱單元性能強(qiáng)化的模擬

馬 林

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司火力發(fā)電技術(shù)研究所，北京 石景山 100040)

導(dǎo)流隔板式相變儲(chǔ)熱單元性能強(qiáng)化的模擬

馬 林

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司火力發(fā)電技術(shù)研究所，北京 石景山 100040)

傳統(tǒng)相變儲(chǔ)熱單元采用簡(jiǎn)單內(nèi)外套管結(jié)構(gòu)，其換熱性能因相變過程中固-液界面分布不均勻而受到限制，為此提出了水平隔板式與傾斜導(dǎo)流隔板式這2種新型套管。建立了3種套管的數(shù)學(xué)及物理模型，對(duì)其相變過程進(jìn)行了二維非穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算，比較了這3種結(jié)構(gòu)換熱性能的差別，并對(duì)影響導(dǎo)流隔板換熱性能的因素作了分析。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，水平隔板使相變材料(phase change material, PCM)融化時(shí)間縮短了40.2%，傾斜隔板使融化時(shí)間縮短了65%。結(jié)果表明，導(dǎo)流隔板有效削弱了PCM融化過程中的固-液界面分布不均勻現(xiàn)象，有效縮短了PCM融化時(shí)間，并且通過調(diào)整隔板數(shù)量及傾斜角度可進(jìn)一步提高套管換熱性能。

導(dǎo)流隔板；相變材料；儲(chǔ)熱單元；套管

0 引言

目前，分布式能源發(fā)電技術(shù)是國(guó)際能源技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)節(jié)能減排、改善能源環(huán)境問題等方面將發(fā)揮重要作用[1]。以可再生能源為供能基礎(chǔ)的分布式能源發(fā)電系統(tǒng)具有能量供給的波動(dòng)性與隨機(jī)性等特點(diǎn)，導(dǎo)致能量的產(chǎn)生與消費(fèi)不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的供給平衡，而分布式儲(chǔ)能技術(shù)可有效消除能量的時(shí)空隨機(jī)性，提高供能系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2-3]。

相變材料(phase change material, PCM)因其儲(chǔ)熱量大、成本低等優(yōu)點(diǎn)正成為儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但由于PCM在換熱過程中存在固-液界面不均勻現(xiàn)象，導(dǎo)致相變儲(chǔ)熱單元換熱時(shí)間長(zhǎng)。因此增強(qiáng)相變儲(chǔ)熱單元換熱性能，縮短相變時(shí)間是研究的重點(diǎn)工作之一[4]。

目前，改善相變材料換熱性能，削弱固-液界面不均勻現(xiàn)象的主要方式包括增加導(dǎo)熱面積、構(gòu)建復(fù)合材料、加入高導(dǎo)熱性材料等措施。吳斌等人對(duì)充填高導(dǎo)熱性多孔篩網(wǎng)的套管式儲(chǔ)熱單元建立了二維的數(shù)學(xué)及物理模型，并進(jìn)行了相變蓄熱試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，增加篩網(wǎng)可以有效提高儲(chǔ)熱單元的傳熱性能[5]。廖百勝利用CFX軟件，對(duì)于不同內(nèi)徑的套管換熱器，在不同偏心距情況下進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，在套管內(nèi)流體湍流程度中等時(shí)，伴隨著偏心距的增大，粘滯力影響逐漸增大，導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)的傳熱效果惡化，惡化情況最為嚴(yán)重的是當(dāng)內(nèi)、外壁面相互接觸時(shí)的工況條件[6]。楊佳霖等人將泡沫金屬銅加入到相變材料中，通過利用泡沫金屬銅的高導(dǎo)熱性與比表面積來提高石蠟換熱性能，結(jié)果表明，泡沫金屬使儲(chǔ)熱單元內(nèi)溫度分布更加均勻，融化時(shí)間明顯縮短[7]。徐明以聚乙糖醇作為蓄熱材料，針對(duì)具有內(nèi)環(huán)肋與翅片結(jié)構(gòu)的換熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并由此得出最優(yōu)管長(zhǎng)的計(jì)算結(jié)果[8]。賀鵬通過模擬計(jì)算，對(duì)光管相變儲(chǔ)熱單元、橫紋槽管相變儲(chǔ)熱單元、翅片管相變儲(chǔ)熱單元及橫紋槽翅片管儲(chǔ)熱單元做了換熱性能比較，結(jié)果表明，橫紋槽翅片結(jié)構(gòu)對(duì)于增強(qiáng)換熱效果作用更加明顯[9]。陳佳等人提出了一種帶有赤蘚糖醇材料的翅片縮放管式儲(chǔ)熱單元，結(jié)果表明，翅片縮放管在儲(chǔ)熱過程中的傳熱速率分別比光管縮放管快13%和9%，適當(dāng)增大翅片厚度有利于提高蓄熱體的換熱性能[10]。

本文在考慮自然對(duì)流的情況下，以石蠟為相變材料，通過在套管內(nèi)增加導(dǎo)流隔板的方式改善套管儲(chǔ)熱單元換熱性能，對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)的相變儲(chǔ)能單元的換熱過程進(jìn)行了數(shù)值研究，并進(jìn)一步研究了導(dǎo)流隔板數(shù)量及傾斜角度對(duì)換熱性能的影響。

1 數(shù)學(xué)模型及物理模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

套管模型分為2個(gè)區(qū)域: 管內(nèi)湍流區(qū)域和石蠟相變區(qū)域。數(shù)值模擬主要分析石蠟相變區(qū)域的融化相變過程。因?yàn)槿诨^程中固液相變界面不斷移動(dòng)，使得此類相變問題很難得到精確解。本文利用熱焓-多孔技術(shù)，把相變區(qū)域作為一個(gè)整體來看待，無需跟蹤界面的變化情況，同時(shí)把固液兩相的共存的區(qū)域當(dāng)成多孔介質(zhì)區(qū)，按多孔介質(zhì)處理。采用α表示液相率，當(dāng)α=0時(shí)，表示相變材料全部凝固，當(dāng)α=1時(shí)，表示相變材料全部熔化[11]。PCM控制方程[12]如下所示。

連續(xù)方程：

(1)

式中：ρ為PCM的密度，kg/m2；u、v分別為PCM沿x、y方向液相速度矢量，m/s。

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

(4)

式中：β為PCM的孔隙率；S為源項(xiàng)，Su、Sv為分別為S在u、v上的分量；ε為小于0.001的數(shù)，避免分母等于0；Amush為模糊區(qū)常數(shù)，常取值為104～107，為阻尼振幅尺度的量度，該值太大會(huì)引起結(jié)果震蕩[13]。

(5)

式中：ρref為參考密度，kg/m3；tref為參考溫度，。

能量方程：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：H為PCM總焓值，kJ/kg；cp為定壓比熱容，J/(kg·K)；L為相變潛熱，J/kg；k為導(dǎo)熱系數(shù)；h為顯熱焓值，kJ/kg；href為參考溫度下的參考焓值，kJ/kg；T為絕對(duì)溫度，K；Tref為參考溫度，K。

PCM控制方程必須滿足如下假設(shè)條件：

(1) PCM溶解熱、體積膨脹系數(shù)為常數(shù)，固-液兩相密度、定壓比熱、導(dǎo)熱系數(shù)不同。

(2) PCM純凈，且各向同性。

(3) 相變過程發(fā)生在一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，焓與溫度的關(guān)系認(rèn)為是線性的。

(4) 滿足Boussinesq假設(shè)，只在浮力項(xiàng)中考慮密度變化，認(rèn)為流體密度與溫度的關(guān)系是線性的[14]。

(5) 假設(shè)套管內(nèi)壁面熱阻為0，外壁面與外界環(huán)境絕熱。

1.2 物理模型

普通套管模型高10 cm，內(nèi)管直徑1 cm,外觀直徑5 cm結(jié)構(gòu)如圖 1(a)所示；在普通套管模型的內(nèi)外管之間平均增加3層橫向隔板，間距2.5 cm,結(jié)構(gòu)如圖 1(b)所示；將橫向隔板改為傾斜隔板，傾斜高度為2.5 cm與水平隔板位置對(duì)應(yīng)，結(jié)構(gòu)如圖 1(c)所示。加熱工質(zhì)(水)通過內(nèi)管向儲(chǔ)熱單元傳遞熱量，上端口進(jìn)入，下端口流出。內(nèi)管與外管之間儲(chǔ)熱石蠟，熱量通過內(nèi)管壁面?zhèn)鬟f給石蠟。

圖1 套管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of casings

邊界條件和初始條件為：

(1) 內(nèi)管熱流體為液態(tài)水，流速0.5 m/s，溫度300 K。

(2) 內(nèi)外管之間PCM為石蠟，初始溫度288 K，物性參數(shù)見表1。

(3) 套管豎直放置，重力沿套管豎直向下。

表1 石蠟物性參數(shù)Table 1 Material properties of paraffin

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

由于對(duì)稱性，取套管縱切面的一半作為計(jì)算模型，采用Gambit建立物理模型并用結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)四邊形形式劃分網(wǎng)格。Fluent采用2D分離、隱式、非穩(wěn)態(tài)求解器求解；能量方程、動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)差格式，離散項(xiàng)中壓力梯度采用PRESTO，松弛因子的選擇采用0.1。

2.1 液相率云圖

圖2為1種模型在不同時(shí)刻的液相率云圖，刻度1對(duì)應(yīng)完全液體狀態(tài)，刻度0對(duì)應(yīng)完全固體狀態(tài)。

圖2 液相率云圖Fig.2 Contours of liquid fraction

從圖 2(a)中看出，在融化開始階段熱傳導(dǎo)為主要傳熱方式，在內(nèi)管壁外側(cè)率先開始出現(xiàn)融化的石蠟，隨著融化的石蠟開始增加，自然對(duì)流在石蠟內(nèi)部開始發(fā)揮作用，在重力和浮生力作用下，率先融化的石蠟匯集于導(dǎo)管頂部，形成錐形融化結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不利于將熱量繼續(xù)傳遞到底部的石蠟，導(dǎo)致底部石蠟融化緩慢，增加了整個(gè)相變過程的時(shí)間。從圖2(b)可以看出，加入隔板以后，在每個(gè)隔板下部都會(huì)出現(xiàn)錐形的融化趨勢(shì)，明顯改善了換熱情況。從圖2(c)可以看出，隨著融化過程繼續(xù)進(jìn)行，在石蠟融化中后期，傾斜導(dǎo)流隔板模型中石蠟融化效果更加均勻，而水平隔板模型中受熱不均問題開始阻礙融化過程。從圖2(d)可以看出，傾斜導(dǎo)流隔板模型在石蠟接近完全融化前仍然受熱較為均勻。

2.2 溫度云圖

圖3 溫度云圖Fig.3 Contours of temperature

3種模型溫度云圖如圖 3所示，從圖 3(a)可以看出,在整個(gè)熔化過程中，熱量始終集中在套管頂部，在頂部石蠟融化為液體后，開始出現(xiàn)不規(guī)則的熱量分布，嚴(yán)重影響石蠟均勻受熱熔化。從圖 3(b)可以看出，加入水平導(dǎo)流隔板后，熱量分布較為均勻，每層隔板頂部熱量可以加熱上一層石蠟的底部，加快了每一層底部石蠟的融化速率，從而縮短了整體相變時(shí)間。從圖3(c)可以看出，加入斜板后，石蠟受熱極為均勻，在融化后期，整個(gè)石蠟內(nèi)部溫度接近一致，大大減小了石蠟相變時(shí)間。

2.3 完全融化時(shí)間

圖4為3種套管液相率隨時(shí)間變化表。模型a完全融化時(shí)間為3 115 s；模型b完全融化時(shí)間為1 863 s，時(shí)間縮短40.2%；模型c完全融化時(shí)間為1 089 s，時(shí)間縮短65%。可見模型c能夠大幅提高套管換熱性能，縮短儲(chǔ)熱時(shí)間。

圖4 液相率隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 Curves of liquid fraction changing with time

2.4 隔板間距對(duì)換熱性能的影響

如圖5所示，其他條件一定時(shí)，套管換熱性能隨隔板間距變化規(guī)律如所示，換熱性能隨隔板間距減小而提高。

圖5 液相率隨隔板間距的變化曲線Fig.5 Curves of liquid fraction changing with space between partitions

圖6 液相率隨隔板傾斜角度的變化曲線Fig.6 Curves of liquid fraction changing with degree of partitions

2.5 隔板傾斜角度對(duì)儲(chǔ)熱性能的影響

其他條件一定時(shí)，套管換熱性能隨隔板傾斜角度變化規(guī)律如圖6所示。

2.6 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法的正確性，以文獻(xiàn)[9]的實(shí)驗(yàn)裝置作為物理模型，采取與文獻(xiàn)中相同的初始條件及邊界條件，熱流體進(jìn)口溫度為358 K，流量為100 L/h。圖 7給出了文獻(xiàn)[15]實(shí)驗(yàn)裝置中2號(hào)溫度測(cè)點(diǎn)與數(shù)值模擬中相應(yīng)點(diǎn)的溫度對(duì)照關(guān)系，可以看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本相同。

圖7 理論與實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)溫度對(duì)照關(guān)系Fig.7 Corresponding relationship of temperature of certain points between theory and experiment

3 結(jié)論

本文建立了考慮自然對(duì)流情況下的套管二維計(jì)算模型，提出了水平導(dǎo)流隔板、傾斜導(dǎo)流隔板2種新型相變儲(chǔ)熱單元結(jié)構(gòu)，對(duì)比了3種儲(chǔ)熱單元的儲(chǔ)熱換熱性能。

(1) 相變儲(chǔ)熱單元增加導(dǎo)流隔板后，固-液界面分布不均勻現(xiàn)象明顯被削弱，相變儲(chǔ)熱單元的換熱性能大幅提升，相變材料融化時(shí)間大幅縮短。

(2) 傾斜式導(dǎo)流隔板比較于水平隔板，解決了底部邊緣位置相變材料受熱不均的問題，溫度分布更加均勻一致。

(3) 在一定范圍內(nèi)，減小隔板間距及調(diào)整隔板傾斜角度可以進(jìn)一步提高套管換熱性能。

[1] 金紅光， 隋軍. 變革性能源利用技術(shù)——分布式能源系統(tǒng)[J]. 分布式能源, 2016, 1(1): 1-5. JIN Hongguang, SUI Jun. Transformational technology innovation-distributed energy system[J]. Distributed Energy, 2016, 1(1)： 1-5.

[2] 慈松， 李宏佳， 陳鑫， 等. 能源互聯(lián)網(wǎng)重要基礎(chǔ)支撐: 分布式儲(chǔ)能技術(shù)的探索與實(shí)踐[J]. 中國(guó)科學(xué): 信息科學(xué), 2014, 44(6): 762-773. CI Song, LI Hongjia, CHEN Xin, et al. The cornerstone of energy internet: Research and practice of distributed energy storage technology[J]. Science China: Information Science, 2014, 44(6): 762-773.

[3] 嚴(yán)俊, 趙立飛. 儲(chǔ)能技術(shù)在分布式發(fā)電中的應(yīng)用[J]. 華北電力技術(shù), 2006, 36(10): 16-19. YAN Jun, ZHAO Lifei. Energy storage for distributed generation[J]. North China Electric Power, 2006, 36(10): 16-19.

[4] 張永信， 李舒宏， 操愷， 等. 太陽能相變儲(chǔ)能水箱釋能性能的數(shù)值模擬[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2013, 2(4): 377-382. ZHANG Yongxin, LI Shuhong, CAO Kai, et al. Numerical analysis of the discharging performance of a solar energy storage tank containing PCM modules[J]. Energy Storage Science and Technology, 2013, 2(4): 377-382.

[5] 吳斌， 邢玉明. 適用于廢熱回收的相變蓄熱裝置數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 熱能動(dòng)力工程, 2011, 26(1): 53-57. WU Bin, XING Yuming. Numerical simulation and experimental study of a phase change heat accumulation device applicable for waste heat recovery[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy & Power, 2011, 26(1)： 53-57.

[6] 廖百勝. 套管式換熱器結(jié)構(gòu)變化對(duì)換熱能力影響的模擬研究[J]. 制冷與空調(diào), 2010, 24(1): 40-44. LIAO Baisheng. Simulation research of impact of heat exchanger capacity of heat exchanger casing’s structural changes[J]. Refrigeration and Air Conditioning, 2010, 24(1)： 40-44.

[7] 楊佳霖， 杜小澤， 楊立軍， 等. 泡沫金屬?gòu)?qiáng)化石蠟相變蓄熱過程可視化實(shí)驗(yàn)[J]. 化工學(xué)報(bào), 2015, 66(2): 497-503. YANG Jialin, DU Xiaoze, YANG Lijun, et al. Visualized experiment on dynamic thermal behavior of phase change material in metal foam[J]. CIESC Journal, 2015, 66(2): 497-503.

[8] 徐明. 相變蓄熱換熱器的數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 西安： 西安建筑科技大學(xué)， 2015. XU Ming. Numerical simulation and optimization of phase change thermal storage exchanger[D]. Xi’an： Xi’an University of Architecture and Technology, 2015.

[9] 賀鵬. 具有相變蓄熱體的蓄熱換熱器研究[D]. 廣州： 華南理工大學(xué)， 2013. HE Peng. Regenerative heat exchanger with phase change of the regenerator [D]. Guangzhou：South China University of Technology, 2013.

[10] 陳佳， 馮毅. 翅片縮放管相變蓄熱體熱工特性數(shù)值模擬[J]. 壓力容器， 2013，30(8): 38-45. CHEN Jia， FENG Yi. Numerical simulation on thermal characteristics of fin converging-diverging channel regenerator with phase change materials[J]. Journal of Pressure Vessels, 2013, 30(8): 38-45.

[11] 王亮. 套管式蓄熱器熱性能數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 石家莊： 河北科技大學(xué)， 2012. WANG Liang. Numerical simulation and experimental study on thermal performance of multi tube heat storage[D]. Shijiazhuang： University Of Science and Technology Of Hebei, 2012.

[12] 鄒得球， 肖睿， 宋文吉，等. 一種余熱利用相變石蠟儲(chǔ)熱過程的數(shù)值模擬[J]. 熱能動(dòng)力工程， 2010， 25(1): 77-81. ZOU Deqiu, XIAO Rui, SONG Wenji, et al. Numerical simulation of the heat storage process of a waste heat utilization-oriented phase-change paraffin[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy & Power, 2010, 25(1): 77-81.

[13] 韓廣順， 丁紅勝， 王培倫， 等. 偏心管翅式相變儲(chǔ)熱單元性能強(qiáng)化的模擬[J]. 節(jié)能技術(shù), 2015, 33(6): 483-488. HAN Guangshun, DING Hongsheng, WANG Peilun, et al. Numerical simulation on performance enhancement of eccentric fin-tube latent heat storage unit[J]. Energy Conservation Technology, 2015, 33(6): 483-488.

[14] 王哲斌, 許淑惠, 嚴(yán)穎. 石蠟相變蓄熱過程數(shù)值模擬[J]. 北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 24(2): 15-18.

WANG Zhebin, XU Shuhui, YAN Ying. Simulation of the heat transfer of melting process of paraffin[J]. Journal of Beijing University of Civil Engineering and Architecture, 2008, 24(2): 15-18.

[15] 周園. 相變材料的蓄/放熱性能研究[D].上海: 上海交通大學(xué), 2009. ZHOU Yuan. The research of accumulation/release of heat phase change material[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2009.

馬 林

(編輯 蔣毅恒)

Numerical Simulation on Performance Enhancement of Lead-Flow Partition Phase Change Heat Storage Unit

MA Lin

(Institute of Thermal Power Generation Technology, China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co., Ltd., Shijingshan District, Beijing 100040, China)

The traditional heat storage unit based on phase change material (PCM) adopts the simple inner and outer casing structure of which the heat transfer performance is limited due to the uneven distribution of the solid-liquid interface. Therefor, this paper proposes two new types of horizontal and inclined lead-flow partition casings, establishes three different mathematical and physical models of casings, simulates the transition process by two dimensional unsteady state, compares the differences of heat transfer performance between these three structures and analyzes the factors affecting the heat transfer performance of the lead-flow partition. Compared with the traditional structure, the PCM melting time has been reduced by 40.2% by horizontal lead-flow partition and 65% by inclined lead-flow partition. The results show that the lead-flow partition can effectively weaken the uneven distribution of the solid-liquid interface and shorten the PCM melting time, and the heat transfer performance of the casing can be further improved by adjusting the number and inclination of partitions.

lead-flow partition; phase change material; heat storage unit; casing

TK 02

A

2096-2185(2017)03-0039-06

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.03.007

2017-05-07

馬林(1991—)，男，碩士研究生，主要從事電廠節(jié)能與環(huán)保領(lǐng)域研究工作，Meryn@foxmail.com。