相變蓄熱器多溫位釋熱特性模擬研究

張童瑤， 曲明璐， 張 嬈， 樊亞男

（上海理工大學(xué)，環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

在北方寒冷地區(qū)采用復(fù)疊式空氣源熱泵是一種改善空氣源熱泵的低溫適應(yīng)性的有效手段，但是，它同樣受結(jié)霜的影響。近年來，眾多專家在改善空氣源熱泵的低溫適應(yīng)性上作了大量研究，如采用輔助加熱器、噴液冷卻的壓縮機(jī)、設(shè)置經(jīng)濟(jì)器、雙級耦合熱泵、復(fù)疊式熱泵等。蓄熱器是相變蓄熱系統(tǒng)中最重要的物理部件，對相變蓄熱設(shè)備性能的研究有很大的參考價(jià)值。曲明璐等[1?2]將蓄熱器添加到復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)中，開展了復(fù)疊式空氣源熱泵相變蓄能除霜實(shí)驗(yàn)研究。李超[3]建立了單相變材料套管式蓄熱器和多相變材料蓄熱器的二維軸對稱物理模型與數(shù)學(xué)模型，對比分析了多相變材料蓄熱器與單相變材料蓄熱器的蓄熱過程。歐陽梅[4]建立了三維針翅管相變傳熱過程的物理模型與數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬計(jì)算。Bonamente 等[5]首先用水作為蓄熱材料進(jìn)行了單環(huán)和雙環(huán)回路的數(shù)值模擬，并且將實(shí)驗(yàn)和模擬的溫度變化情況進(jìn)行對比。Almsater 等[6]提出了使用Ansys Fluent 軟件模擬垂直三聯(lián)管熱儲存系統(tǒng)，并且驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。張改[7]利用Fluent 軟件對多排管蓄熱器內(nèi)分別填充純石蠟及石蠟與膨脹石墨復(fù)合材料時的蓄放熱過程模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

復(fù)疊式空氣源熱泵蓄能除霜方法在常規(guī)的復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)中添加蓄熱器裝置，將低溫級的多余的熱能通過相變材料儲存起來，實(shí)現(xiàn)同時為低溫級除霜和高溫級供熱的目的。在蓄能除霜過程中，高、低溫級同時從蓄熱器取熱，相變材料發(fā)生的釋熱過程為多溫位釋熱過程。而目前對多溫位釋熱過程的研究很少，本文通過數(shù)值模擬研究放熱模式下兩種物理模型中的相變區(qū)域的溫度場變化和液相率變化規(guī)律。

1 系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)形式

1.1 系統(tǒng)的工作原理

圖1 為復(fù)疊式空氣源熱泵蓄能除霜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)主要是由高溫級、低溫級循環(huán)以及蓄熱器三部分構(gòu)成。系統(tǒng)的額定制熱量為8.5 kW，高、低溫級循環(huán)對應(yīng)的工質(zhì)分別為R134a 和R410a。系統(tǒng)在常規(guī)復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)中增加了一個相變蓄熱器。在室內(nèi)環(huán)境滿足要求的前提下，將復(fù)疊式空氣源熱泵制熱運(yùn)行時低溫級的部分余熱儲存在蓄熱器內(nèi)，在蓄能除霜時，蓄熱器作為低溫級的蒸發(fā)器，蓄熱器儲存的熱量同時供給低溫級除霜及高溫級供熱。圖1 所示系統(tǒng)參見文獻(xiàn)[8]。

圖 1 蓄能復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)原理圖Fig. 1 Schematic diagram of the energy storage based cascade air source heat pump system

系統(tǒng)通過改變低溫級變頻壓縮機(jī)的頻率來調(diào)節(jié)低溫級制冷劑流量，采用改變高溫級電子膨脹閥（HEEV）的開度來調(diào)節(jié)高溫級制冷劑流量。以此控制高溫側(cè)和低溫側(cè)釋熱量分配。

1.1.1 蓄熱器介紹

蓄熱器由換熱器內(nèi)芯加外殼體組成。換熱器內(nèi)芯由高溫級和低溫級兩套盤管構(gòu)成，每套銅管分三排，每排五列。蓄熱器高、低溫級盤管分排交錯排列，其中，第1，3，5 排管道為高溫級，第2，4，6 排管道為低溫級，高溫級用作室內(nèi)供熱，低溫級用作除霜。

換熱器內(nèi)芯固定在外殼體內(nèi)，外殼體和換熱器間充滿相變材料。換熱器銅管每隔6 mm 加厚度為0.2 mm 的鋁制翅片，用以增加換熱器銅管和相變材料的換熱面積。外殼體材料為不銹鋼，避免與相變材料發(fā)生反應(yīng)。蓄熱器頂蓋為可拆卸活動頂蓋，可從頂部將蓄熱材料注入蓄熱器，底部設(shè)有排液口，便于更換不同的蓄熱材料。

圖2 為蓄熱器設(shè)計(jì)圖. 蓄熱時，制冷劑從4 號口流入，冷凝傳熱給相變材料后從3 號口流出。放熱時，低溫級制冷劑從3 號口流入，吸收管外相變材料的熱量后從4 號口流出。放熱時，高溫級制冷劑從1 號口流入，吸收管外相變材料的熱量后從2 號口流出。蓄熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

圖 2 蓄熱器設(shè)計(jì)圖Fig. 2 Structure of the heat accumulator

表 1 蓄熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of the heat accumulator

1.1.2 相變材料的選用

根據(jù)低溫級蓄熱器冷凝溫度及其冷凝壓力可選用RT10 作為相變材料，實(shí)驗(yàn)選用功率補(bǔ)償器（DSC）測試相變材料RT10 的相變溫度和相變潛熱，表2 為其測試結(jié)果。

表 2 RT10 主要物性參數(shù)Tab.2 RT10 main physical parameters

1.2 蓄熱器內(nèi)溫度測點(diǎn)布置

蓄熱器低溫級入口處制冷劑壓力采用精度為0.1F.S 的壓力傳感器測量。蓄熱器低溫級進(jìn)、出口處的制冷劑溫度由精度為0.1F.S 的 T 型熱電偶采集。實(shí)驗(yàn)使用安捷倫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，量程為?200～260 ℃，數(shù)顯精度為0.01 ℃，測溫范圍為?40～400 ℃，準(zhǔn)確度為±0.3 ℃，故該采集系統(tǒng)誤差為±0.3 ℃。圖3為蓄熱器內(nèi)各溫度測點(diǎn)的布置圖，所布置的溫度測點(diǎn)主要采用T 型銅?康銅熱電偶采集，誤差為±0.5 ℃，測點(diǎn)布置一共分6 個回路，第1 到第6 回路測點(diǎn)分別為T12～T15，T16～T19，T20～T23，T24～T27，T28～T31，T32～T 35，其中，1, 3, 5 回路是高溫級回路，2, 4, 6 回路是低溫級回路。T1～T4 分別為高溫級進(jìn)口、高溫級出口、低溫級進(jìn)口、低溫級出口溫度測點(diǎn)。

圖 3 蓄熱器內(nèi)溫度測點(diǎn)布置Fig. 3 Arrangement of temperature measurement points in the heat accumulator

2 蓄熱器放熱過程數(shù)值模擬

相變材料被封裝在紫銅管道與殼體之間，蓄熱器的外殼及上下表面包有保溫棉，與外界絕熱，所以，忽略蓄熱器與外界的熱交換。制冷劑流過紫銅管道并與管道發(fā)生對流換熱，管道則以導(dǎo)熱的形式傳熱給相變材料，蓄熱器內(nèi)部的相變材料則進(jìn)行相變傳熱。

首先選取蓄熱系統(tǒng)中的一個套管橫截面作為研究對象，包括相變材料、制冷劑以及換熱銅管。為了分析蓄、放熱過程相變界面的移動和溫度變化特性，利用面積相等的方法將換熱銅管周圍的相變材料轉(zhuǎn)換為圓形，如圖4 所示，其中，內(nèi)徑R1=6.4 mm，外徑R2=16.67 mm。以R1的圓形區(qū)域?yàn)橹评鋭?，以R2的圓環(huán)區(qū)域?yàn)橄嘧儾牧稀?/p>

為了進(jìn)一步模擬研究沿制冷劑流動方向相變材料的換熱情況，現(xiàn)分析放熱時沿流動方向相變材料的溫度變化情況。因此，構(gòu)建加翅片的單管物理模型，分析不同時刻固?液相界面移動情況。如圖5 所示。因?yàn)?，一個回路的制冷劑管道長度太大，所以，取一個回路的十分之一長度，寬度與實(shí)驗(yàn)保持一致，長度取235 mm，寬度取16.67 mm。

圖 4 套管圓截面物理模型圖Fig. 4 Physical model diagram of a casing circular section

圖 5 加翅片單管計(jì)算物理模型圖Fig.5 Figure of the physical model of the finned single tube

對蓄熱器進(jìn)行模擬仿真，首先利用Gambit 軟件構(gòu)建區(qū)域的幾何形狀、定義邊界條件以及生成網(wǎng)格；其次利用Fluent 求解器對流動區(qū)域進(jìn)行求解計(jì)算；最后進(jìn)行結(jié)果的后處理。

采用熱焓法來模擬相變傳熱過程，熱焓法的主要原理是將熱焓和溫度都作為因變量，在整個相變范圍內(nèi)建立一個統(tǒng)一的能量方程，求出熱焓分布，從而確定相界面的位置。

選用室外溫度?12 ℃，濕度85%下所測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為初始條件，模擬工況如表3所示。

表 3 模擬工況數(shù)據(jù)Tab.3 Working condition data in the simulation

蓄熱器的蓄、放熱過程包括制冷劑與相變材料的傳熱和相變材料的相變這兩個過程，而相變材料的相變過程是研究的關(guān)鍵，兩相之間存在一個分界面，以相變溫度作為分界線將兩種相態(tài)區(qū)域分開。內(nèi)管為恒溫邊界條件，套管外壁為絕熱面，放熱過程高溫級制冷劑R134a 平均飽和溫度為?11.5 ℃，低溫級制冷劑R410a 平均飽和溫度為?25.9 ℃，相變材料初始溫度為20 ℃，放熱時設(shè)置高、低溫級制冷劑R134a 和R410a 速度邊界條件 的 入 口 速 度 分 別 為0.267 m/s 和0.351 m/s，高、低溫級制冷劑R134a、R410a，紫銅管以及鋁翅片的物性參數(shù)如表4 所示。

表 4 相變材料物性參數(shù)Tab.4 Physical parameters of phase change materials

3 蓄熱器放熱過程的數(shù)值模擬分析

3.1 套管圓截面換熱計(jì)算結(jié)果分析

以套管圓截面為研究對象時，內(nèi)管為恒溫邊界條件，套管外壁為絕熱面，設(shè)置相變材料初始溫度為20 ℃。放熱過程中高溫級制冷劑R134a 平均飽和溫度為?11.5 ℃，低溫級制冷劑R410a 平均飽和溫度為?25.9 ℃，所以，模擬過程中，放熱時設(shè)置壁面溫度分別為?11.5 ℃和?25.9 ℃。高溫級制冷劑平均流量為1.82 L/min，低溫級制冷劑平均流量為2.61 L/min。

如圖6 所示，分別為放熱時間為50 ，100 和400 s 時高、低溫級蓄熱器內(nèi)溫度場分布圖。在凝固初期，高、低溫級制冷劑和相變材料的溫差大，相變材料的溫度下降快，管道內(nèi)相變材料的液相量較大，所以，熱量主要以對流的方式向上傳遞，管道下方的相變材料溫度變化速率比管道上方的快，同時，低溫級相變材料溫度比高溫級相變材料溫度變化速率快。隨著凝固的進(jìn)行，當(dāng)相變材料溫度大部分降到相變溫度時，靠近制冷劑管道的相變材料開始相變凝固，熱量主要以導(dǎo)熱的方式進(jìn)行傳導(dǎo)。

放熱過程高、低溫級相變材料液相率隨時間變化的關(guān)系曲線如圖7 所示。高溫級相變材料在開始的200 s 內(nèi)，因?yàn)殂~管與相變材料之間顯著的溫差，曲線斜率最大，即傳熱速率最大；200 ～600 s 階段，相變材料的溫度基本都處于相變溫度點(diǎn)附近，因?yàn)?，相變材料與制冷劑的溫差逐漸減小，所以，此階段的液相率曲線斜率逐漸降低。600 ～1000 s 階段，相變材料大部分已經(jīng)變?yōu)楣虘B(tài)，傳熱速率進(jìn)一步降低。同樣，低溫級相變材料在開始100 s 內(nèi)曲線斜率最大，即傳熱速率最大；100 ～400 s 階段，因?yàn)?，相變材料與制冷劑的溫差逐漸減小，所以，此階段的液相率曲線斜率逐漸降低；400～600 s 階段，相變材料大部分已經(jīng)變?yōu)楣虘B(tài)，傳熱速率進(jìn)一步降低；在600～800 s 階段，液相率曲線斜率幾乎等于0。

圖 7 放熱過程相變材料液相率隨時間的變化圖Fig. 7 Change in liquid phase ratio of the phase change material with time in the exothermic process

3.2 單管流動方向的計(jì)算結(jié)果分析

蓄熱器內(nèi)第3 回路溫度測點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 表示放熱階段高溫級第3 回路相變材料測點(diǎn)溫度隨時間的變化曲線圖，放熱開始前4 個測點(diǎn)溫度大致相等，為20.4 ℃，制冷劑從測點(diǎn)T20 橫向流到測點(diǎn)T23，由于測點(diǎn)T20 離制冷劑最近，所以，比其他測點(diǎn)先被冷卻，依測點(diǎn)T21，T22，T23 依次被冷卻。4 個測點(diǎn)變化趨勢大致相同。第1 和第5 回路與第3 回路類似，由于放熱時制冷劑從蓄熱器下端流入，上端流出，所以，第5回路先放熱，然后是第3 回路放熱，最后是第1回路放熱。

圖 8 放熱時高溫級第3 回路溫度測點(diǎn)的變化Fig. 8 Changes in temperature measurement points of the third loop of the high-temperature stage during heat release

圖 9 放熱時高溫級加翅片單管溫度場分布圖Fig. 9 Temperature field distribution of the high temperature grade finned single tube during heat release

圖9 表示高溫級相變材料放熱時間分別在50，200，400 s 時相變區(qū)域的溫度場分布，隨著高溫級制冷劑由入口向出口流動，管徑方向上熱量從制冷劑區(qū)傳遞給相變材料區(qū)。放熱剛開始階段，制冷劑和相變材料溫差很大，可以直觀地看出相變材料的溫度變化比較快；50 s 時，沿著流動方向整個相變材料區(qū)域都開始相變；200 s 時，將近60%的相變材料溫度達(dá)到相變溫度（281.3 K），溫度界面與傳熱界面幾乎平行，到400 s 時，相變材料溫度幾乎全部達(dá)到相變溫度。這與圖8 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本符合。

蓄熱器內(nèi)第4 回路測點(diǎn)溫度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10 所示。圖10 是放熱階段低溫級第4 回路相變材料測點(diǎn)溫度隨時間的變化曲線圖。放熱剛開始階段，4 個測點(diǎn)溫度大致相等，為20 ℃，低溫級制冷劑從測點(diǎn)T24 橫向流到測點(diǎn)T27，由于測點(diǎn)T24 離制冷劑最近，所以，比其他測點(diǎn)先被冷卻，依次測點(diǎn)T25，T26 和T27 被冷卻。第2 和第6 回路與第4 回路類似，從曲線圖中可以看出，4 個測點(diǎn)變化趨勢大致相同，幾乎同時變化。由于實(shí)驗(yàn)放熱時低溫級制冷劑從蓄熱器下端流入，上端流出，所以，下端第6 回路先放熱，然后是第4 回路，最后是上端第2 回路。

圖 10 放熱時低溫級第4 回路溫度測點(diǎn)的變化圖Fig. 10 Change in temperature measurement point of the fourth loop of the low-temperatrue stage during heat release

圖11 表示低溫級相變材料放熱時間分別在50，200，400 s 時相變區(qū)域的溫度場分布。

如圖11 所示，隨著低溫級制冷劑由入口向出口流動，管徑方向上熱量從制冷劑區(qū)傳遞給相變材料區(qū)。放熱剛開始階段，制冷劑和相變材料溫差很大，可以直觀地看出相變材料溫度變化比較快，50 s 時，沿著流動方向整個相變材料區(qū)域都開始相變，200 s 時，70% 的相變材料溫度達(dá)到相變溫度（281.3 K），溫度場界面與傳熱界面幾乎平行，到400 s 時，相變材料溫度幾乎全部達(dá)到相變溫度，這與圖10 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本符合。

該復(fù)疊式空氣源熱泵相變蓄熱器多溫位釋熱特性為：放熱階段高溫級相變材料在開始的100 s內(nèi)傳熱速率最大；100～400 s 階段液相率曲線斜率逐漸降低。低溫級相變材料在開始60 s 內(nèi)傳熱速率最大；60～300 s 階段液相率曲線斜率逐漸降低。整個高、低溫級放熱時間分別大約持續(xù)1100 s和800 s。由于低溫級制冷劑出口溫度與相變材料溫度差值大于高溫級制冷劑出口溫度與相變材料溫度差值，且低溫級制冷劑流量高于高溫級制冷劑流量，故低溫級相變材料溫度比高溫級相變材料溫度變化速率快。

圖 11 放熱時低溫級加翅片單管溫度場分布圖Fig. 11 Temperature field distribution of the low temperature grade finned single tube during heat release

4 結(jié) 論

將室外溫度為?12 ℃，濕度為85%下所得數(shù)據(jù)作為模擬研究工況，對蓄熱器多溫位釋熱情況進(jìn)行結(jié)果分析，得出結(jié)論:

a. 分析圓管截面高、低溫級相變材料，在初始階段管道下方的溫度變化速率比管道上方快，當(dāng)相變材料溫度大部分降到相變溫度（281.3 K）時，靠近制冷劑管道的相變材料開始相變凝固。

b. 分析加翅片單管高、低溫級相變材料，高、低溫級放熱初期相變材料溫度變化都快，200 s時分別有大約60%和70%相變材料溫度達(dá)到相變溫度（281.3 K），將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性。

c. 蓄熱器放熱階段高溫級相變材料在開始的100 s 內(nèi)傳熱速率最大；在400 s 時已經(jīng)凝固的相變材料體積占相變材料總體積的85%。低溫級相變材料在開始60 s 內(nèi)傳熱速率最大；在400 s 時已經(jīng)凝固的相變材料體積占相變材料總體積的95%。蓄熱器低溫級相變材料溫度變化速率高于高溫級相變材料溫度變化速率，這是因?yàn)樾顭崞鞯蜏丶壷评鋭┝髁扛哂诟邷丶壷评鋭┝髁浚业蜏丶壷评鋭┏隹跍囟扰c相變材料溫差高于高溫級制冷劑出口溫度與相變材料溫差。

相變材料在蓄熱器相變的過程中固?液相界面是如何移動的，內(nèi)部的溫度場是如何變化的，一直就是專業(yè)人員研究的熱點(diǎn)。本文對單管蓄熱器模型在第一類邊界條件下的融化和凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬分析蓄熱器高、低溫級液相率及溫度變化的情況，綜合分析相變傳熱過程的蓄、放熱特性，為進(jìn)一步優(yōu)化蓄能除霜過程高、低溫級能量分配提供理論基礎(chǔ)。