環(huán)腔型汽車相變蓄能器蓄能特性研究

高沙沙，秦少達(dá)，姚慶偉，陶鵬，牛彩偉（長城汽車股份有限公司，保定071000）

環(huán)腔型汽車相變蓄能器蓄能特性研究

高沙沙，秦少達(dá)，姚慶偉，陶鵬，牛彩偉
（長城汽車股份有限公司，保定071000）

通過對相變蓄能器的蓄能及相變過程進(jìn)行了模擬分析，得到了相變材料在蓄能過程中液相分?jǐn)?shù)及溫度隨時間的變化規(guī)律。模擬了不同相變材料初溫、不同流體初溫、不同工況下相變蓄能器的蓄能情況。得到了冬天和夏天相變蓄熱器初始溫度不同時，液相率的變化影響不明顯，設(shè)計的相變蓄能器在40m in左右完成蓄能過程，符合城市生活的一個出行時間。在進(jìn)口水溫為368K時對蓄熱最有利，能達(dá)到最好的蓄熱效果。當(dāng)進(jìn)口流速0.113m/s時，此后流速繼續(xù)增大，蓄熱時間已沒有明顯的變化，這時再通過減小流體與材料間對流換熱熱阻來加強(qiáng)換熱意義不大。

相變蓄能器蓄能不同材料初溫不同流體初溫不同工況

1 引言

隨著人們生活水平的提高，汽車保有量越來越大，汽車能源消耗在總能源消耗中所占的比例越來越高，汽車節(jié)能問題越來越受到各國關(guān)注。節(jié)能已經(jīng)成為當(dāng)今世界汽車工業(yè)發(fā)展的主題之一。汽車消耗的能源主要是石油燃料，而我國是一個石油存儲量相對欠缺的國家，目前己成為世界第二大石油進(jìn)口國。隨著我國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，提高汽車燃料有效利用率和減少環(huán)境污染在我國具有更重要的戰(zhàn)略意義。研究表明，汽車燃料燃燒釋放能量約65%被冷卻液和尾氣攜帶散失，浪費極其嚴(yán)重。汽車排放廢熱是間斷的且不穩(wěn)定的，將這些排氣熱量貯存起來，在冷啟動時迅速釋放，以提高發(fā)動機(jī)機(jī)體氣缸周邊瞬態(tài)溫升，改善冷啟動熱氛圍，由此引出相變蓄能。

2 相變蓄能器的原理及作用

相變蓄能器利用一些材料相變時伴隨吸放熱的現(xiàn)象，在不影響內(nèi)燃機(jī)性能的同時，借助相變蓄能技術(shù)將冷卻液或尾氣中的余熱暫時儲存起來，用以改善發(fā)動機(jī)冷起動性能，改善車輛的乘坐環(huán)境，是一種提升內(nèi)燃機(jī)效能的新思路，對于提高整車的能量利用效率具有一定的意義[1]。相變蓄能器的基本原理如圖1所示。相變蓄能器可分為板式、板管式和殼體式蓄能器等[2]，如圖2所示。

圖1 蓄能控制系統(tǒng)基本組成圖

圖2 相變蓄能器的分類

3 汽車蓄能器的設(shè)計及網(wǎng)格劃分

3.1 汽車蓄能器的設(shè)計

本課題以一汽大眾GOLF 1.6T汽車為研究對象，相變蓄熱器在發(fā)動機(jī)運行過程中蓄存熱量，停機(jī)后保溫一段時間，在汽車再次啟動時釋放熱量，迅速預(yù)熱室內(nèi)空間，并在低溫時融化擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面的冰、霜、霧，加熱10%的冷卻液等。本文基于內(nèi)燃機(jī)冷卻循環(huán)的余熱利用，借助FLUENT軟件對環(huán)腔型汽車相變蓄能器的蓄能過程及具體的蓄能特性進(jìn)行了分析[3]。

本文選擇Ba(OH)2·8H2O作為相變材料，是因為其導(dǎo)熱系數(shù)高，相變潛熱大，密度大，較小地節(jié)約汽車內(nèi)空間，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但是其有毒需要嚴(yán)格密封[4]。最重要的一點是一般的冷卻水經(jīng)冷卻缸套后處于368.15 K，而相變蓄能器的相變溫度為348.15 K～351.15 K，即裝置工作的溫度大于相變材料發(fā)生相變的溫度，因此相變材料會融化，放出大量的相變潛熱，蓄能量較大。此外冷卻液為乙二醇和水，混合比例為0.45∶0.55，凝固溫度為-35℃，管子材質(zhì)為鋁。

加熱空氣所需熱量較少，忽略不計，PCM放熱量Q主要用于溶解冰以及加熱冷卻液。冬季溶解冰所需熱量Q1＝612 kJ，加熱冷卻液所需熱量Q2＝80.33 kJ。由Q＝Q1＋Q2，得到m＝1.9 kg。考慮到保溫過程熱損失和熱交換效率的影響，所以估算PCM質(zhì)量m＝3.045 kg，PCM體積V＝m/ρ＝3.045/2 180＝0.001 4m3。最終確定相比蓄能器體積不小于0.0014m3。

3.2 模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)上面計算，設(shè)計的相變蓄能器如圖3所示。對管子1、2、3、4進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對2個相變材料PCM1和PCM2進(jìn)行O型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對流道進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，提升網(wǎng)格質(zhì)量。將上述七部分利用ICEM軟件中的merge功能合并為整體的網(wǎng)格利用五套不同數(shù)量的網(wǎng)格，進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證，從精確性和計算時間兩個方面綜合確定出了最優(yōu)的網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格，共41.93萬個網(wǎng)格。

圖3 相變蓄能器

4 標(biāo)況下蓄能情況

4.1 邊界條件的設(shè)定

對模型的各個邊界條件進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)口邊界條件采用速度入口邊界，設(shè)置入口流體的流速和溫度；出口邊界條件采用自由流出。一共設(shè)置了8組interface，均設(shè)置為coupled wall，從而確定傳熱的正常進(jìn)行；其余的壁面均設(shè)置為絕熱。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)狀況下的蓄能情況

物理模型描述：標(biāo)準(zhǔn)工況下，即蓄能器進(jìn)口處冷卻液流速為V＝0.113m/s，發(fā)動機(jī)冷卻液溫度為368.15 K，相變材料的初始溫度為253.15K。對相變蓄能器的蓄能過程進(jìn)行模擬，得到其不同時間段相變材料融化過程圖，如圖4和圖5所示。

由圖4、圖5可知，換熱管壁附近最開始出現(xiàn)液相，依次向PCM內(nèi)部開始融化。PCM1先于PCM2完成相變，原因是在PCM1處的流體速度大于在PCM2處的流體速度，換熱迅速；且PCM1體積小于PCM2，因此先完成相變。

由圖6可知，通過觀察同一時刻不同橫截面積上的液相分?jǐn)?shù)圖，沿流動方向液相分?jǐn)?shù)逐漸較少，入口段冷卻液溫度高，傳熱溫差大，相變材料融化較快，出口段冷卻液溫度低，相變材料融化較慢。

由圖7可知，剛開始由于熱流體與鋁管子溫差較大，所以熱流體溫度迅速由368.15K降為300K。隨著鋁管子和熱流體間的溫差減小，換熱逐漸變差，導(dǎo)致出口處流體溫度迅速升高。直至鋁管子和熱流體之間溫差為0時，管子和熱流體之間不再傳熱，出口流體溫度不再變化。

圖8為PCM1和PCM2的液相率隨時間的變化曲線。從圖中可知，PCM1在172 s時開始出現(xiàn)相變，在1 246 s時完成全部的相變；由圖8可知，PCM2在194 s時開始出現(xiàn)相變，在2 014 s時完成全部相變。PCM1先于PCM2完成相變，原因是在PCM1處的流體速度大于在PCM2處的流體速度，換熱迅速；PCM2體積大于PCM1。

圖4 不同時刻時y＝20時液相圖

圖5 t＝100 s時x＝0速度圖

圖6 t＝1 000 s時x＝0液相圖

圖7 出口液體溫度隨時間變化

圖8 PCM 1和PCM 2液相率隨時間變化

從圖中可見，為額定工況下PCM2液相率隨蓄熱時間變化曲線。從圖中可見，在蓄熱熔化的初始階段，相變速率較快。隨著時間進(jìn)行，液相率曲線越來越平緩，說明熔化越來越慢。這是由于在蓄熱初始階段，固態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)大，傳熱熱阻較小，在很短的時間內(nèi)液相的比例迅速增加。隨著液態(tài)工質(zhì)厚度的增加，熱量隔著一層熔化的介質(zhì)進(jìn)行傳遞，熱阻不斷加大；并且液態(tài)工質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)比固態(tài)工質(zhì)小，因而融化速度逐漸降低。

由圖9可知，蓄能過程經(jīng)過四個明顯的蓄熱階段：固態(tài)顯熱蓄熱、融化潛熱蓄熱、液態(tài)顯熱蓄熱、蓄能穩(wěn)定持續(xù)等四個顯著階段。液態(tài)顯熱蓄熱階段：鋁管子溫度與相變材料的溫差相距很大，工質(zhì)溫度急劇升高；同時固態(tài)顯熱容量較小，蓄能較快。隨后進(jìn)入潛熱蓄能升溫階段：工質(zhì)溫度緩慢升高，潛熱蓄能量大，蓄能時間較長。接著是短暫的液態(tài)顯熱蓄能升溫階段，蓄能量小，溫升較快；最后是蓄能穩(wěn)定持續(xù)階段，蓄能終了。且由曲線圖還可以看出，固態(tài)顯熱蓄能升溫所需時間低于液態(tài)顯熱蓄能，可見，固態(tài)相變工質(zhì)導(dǎo)熱性能好于液態(tài)。

圖9 PCM 1和PCM 2溫度隨時間變化

圖10 不同流體初溫下PCM 2液相率變化

圖11 不同流體初溫下PCM 2溫度變化

PCM1和PCM2在2 457 s（40min左右）時完成蓄能過程，符合城市生活的一個車輛出行時間的需求。對比圖8和圖9，圖9中相變段溫度基本不變的現(xiàn)象更為明顯，主要是PCM2的體積更大，可儲存的相變潛熱更多。

5 不同條件下的蓄能情況

5.1 不同流體初溫條件下的蓄能情況

模擬了三種流體初溫分別為353.15、358.15、368.15K三種流體初溫蓄能情況，如圖10和圖11所示。隨入口溫度增加相變材料熔化的速度越快，說明蓄熱流體進(jìn)口溫度越高，蓄熱過程進(jìn)行得越迅速。對于選定的相變材料和蓄熱器結(jié)構(gòu)，在汽車相同的運行工況下進(jìn)口流體溫度越高，與相變材料相變溫度差越大越有利于換熱。蓄熱器設(shè)計時應(yīng)考慮，在滿足需熱量的情況下，針對不同需求選擇合適的蓄熱時間。對城市汽車行駛狀況而言，發(fā)動機(jī)啟停時間間隔一般約為半小時，在此過程中，發(fā)動機(jī)余熱利用系統(tǒng)要完成或即將結(jié)束整個蓄熱過程。所以在進(jìn)口水溫368.15K（95℃）時對蓄熱最有利，蓄熱效率最高，而此溫度也是發(fā)動機(jī)運行時冷卻液的正常溫度，能達(dá)到最好的蓄熱效果。

5.2 不同PCM初溫條件下的蓄能情況

模擬了PCM2材料在253.15 K和293.15 K兩種初溫條件下的蓄能情況，如圖12和圖13所示。本文選擇253.15 K和293.15 K兩種溫度，分別模擬了冬天和夏天的蓄能情況。結(jié)果表明，相變蓄熱器初始溫度不同對液相率的變化影響不明顯，不同的初始溫度情況下相變增加速率一致。但是相變蓄熱器初始溫度越接近相變溫度Tsolidus=348.15 K，固態(tài)顯熱蓄熱階段越短，相變現(xiàn)象發(fā)生越早，蓄熱過程結(jié)束也越早。

5.3 不同流體速度條件下的蓄能情況

在正常行駛過程中，冷卻水泵轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速比例為1.6∶1，因此汽車運行工況的變化也表現(xiàn)為蓄熱器載熱流體進(jìn)口流速的變化。本文分別取怠速、額定功率和最大轉(zhuǎn)速三種工況下，不同流體進(jìn)口流速0.018、0.113和0.136m/s對蓄能的影響。結(jié)果如圖14～圖16所示。

熱流體流速的平方根與平均對流換熱系數(shù)成正比，不同工況下蓄熱器進(jìn)口流速越大，蓄熱體表面對流換熱系數(shù)就越大。隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，進(jìn)口流速增加，管子與流體間的對流換熱系數(shù)增大，對流換熱熱阻減小，蓄熱時間逐漸減少。但減少速率越來越小，當(dāng)進(jìn)口流速為0.113m/s（額定工況）時，此后流速繼續(xù)增大，蓄放熱時間已沒有明顯的變化，這時再通過減小流體與材料間對流換熱熱阻來加強(qiáng)換熱意義不大。增加流速雖然減少了熔化時間，但是隨著流速的增加出口溫度也隨之增加，熱量有效利用效率減小；其次流速增加會使流體流動狀態(tài)發(fā)生改變，引起流體流動阻力增加，對冷卻水泵性能的要求就越高，而且全部冷卻水流經(jīng)蓄熱器，必然造成冷卻液熱量散失不及時，發(fā)動機(jī)冷卻不足，過熱燒損。因此，在滿足蓄熱要求的情況下，流經(jīng)蓄熱器的流量只有冷卻液的10%。汽車在額定功率下運行時可以很好地滿足蓄熱需求。

圖12 不同相變材料初溫下PCM 2液相率變化

圖13 不同相變材料初溫下PCM 2溫度變化

圖14 不同工況下PCM 2液相率變化

圖15 不同工況下PCM 2溫度變化

圖16 不同工況下出口流體溫度變化

6 結(jié)論

（1）蓄能過程經(jīng)過四個明顯的蓄熱階段：固態(tài)顯熱蓄熱、融化潛熱蓄熱、液態(tài)顯熱蓄熱、蓄能穩(wěn)定持續(xù)等四個顯著階段。相變蓄能器在40min左右完成全部的蓄能過程，符合城市生活的一個出行時間。

（2）隨入口溫度增加，相變材料熔化的速度就越快，說明蓄熱流體進(jìn)口溫度越高，蓄熱過程進(jìn)行得越迅速。所以在進(jìn)口水溫368.15 K時對蓄熱最有利，蓄熱效率最高，而此溫度也是發(fā)動機(jī)運行時冷卻液的正常溫度，能達(dá)到最好蓄熱效果。

（3）選擇253.15 K和293.15 K分別模擬冬天和夏天的蓄能情況，結(jié)果表明，相變蓄熱器初始溫度不同對液相率的變化影響不明顯，不同的初始溫度情況下相變增加速率一致。但是相變蓄熱器初始溫度越接近相變溫度Tsolidus=348.15 K，固態(tài)顯熱蓄熱階段越短，相變現(xiàn)象發(fā)生越早，蓄熱過程結(jié)束得也越早。

（4）不同工況下蓄熱器進(jìn)口流速越大，管子與流體間的對流換熱系數(shù)增大，對流換熱熱阻減小，蓄熱時間逐漸減少。但減少速率越來越小，當(dāng)進(jìn)口流速為0.113m/s（額定功率下）時，此后流速繼續(xù)增大，蓄放熱時間已沒有明顯的變化，這時再通過減小流體與材料間對流換熱熱阻來加強(qiáng)換熱意義不大。但是隨著流速的增加出口溫度也隨之增加，熱量有效利用效率減??；其次流速增加會使流體流動狀態(tài)發(fā)生改變，引起流體流動阻力增加，對冷卻水泵性能的要求就越高。

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Study on Storage CharacteristicsofCavity-type Automobile Phase Change Accumulator

Gao Shasha,Qin Shaoda,Yao Qingwei,Tao Peng,Niu Caiwei
（GreatWallMotor Co.,Ltd.,Baoding071000,China)

By using the FLUENT software,a series of experiments about storage process and melting were performed.The liquid fraction and temperature of Phase ChangeMaterial(PCM)were analyzed by the time.Different PCM initial temperatures,fluid initial temperatures and working conditions of the phase change thermal storage exchangerwere conducted.The results show that,The liquid fraction variation was notapparent in summer and winter.The phase change thermalstorage exchangerwhich the author designed finished the storage process about 40 minutes in accordance with a travel time of city life.368K was the perfect fluid initial temperaturewhich can achieve the best thermal storage effect.The heat storage time of the phase change thermal storage exchangerwas notapparentwhen the fluid initial temperatures increased to 0.113m/s.The decrease of convective heat resistancewillhave no significance on Strengthening the heat transfer.

phase change thermalstorage exchanger,energy storage,differentPCM initial tem peratures,different fluid initial temperatures,differentworking conditions

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.03.006

來稿日期：2017-01-19

高沙沙（1989-），女，本科，主要研究方向為整車熱管理。