科学研究与应用
Journal of Scientific Research and Applications
- 主办单位:未來中國國際出版集團有限公司
- ISSN:3079-7071（P）
- ISSN:3080-0757（O）
- 期刊分类:科学技术
- 出版周期:月刊
- 投稿量:5
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渐变式螺旋盘管相变蓄热器的蓄热性能研究
Research on the Heat Storage Performance of the Gradually Changing Spiral Coil Phase Change Heat Storage Device
引言
能源资源是地球历经亿万年才形成的珍贵财富，而在当下常规能源资源的消耗速度已然远远超出了资源自身的再生速度，能源资源的供求关系变得日益紧张。面对这样的能源形势，对可再生能源加以利用成了摆脱能源困境的关键办法。然而，可再生能源在空间以及时间方面存在着供需方面的问题，这些问题对其利用形成了制约。而相变蓄热技术作为一种具备潜力的方案，能够较好地应对能源供给与需求在时间、空间上不匹配的难题。然而，相变蓄热技术存在的相变材料(phase change material，PCM)热导率低的问题，限制了其应用。
很多学者研究了各种强化传热的方法，主要分为两个方面：改进PCM和优化蓄热器结构。在改进PCM方面，目前研究较多的是向PCM中添加纳米颗粒等高热导率的材料以及制备复合PCM来提高热导率。在优化蓄热器结构方面，可通过添加肋片、使用胶囊封装等方法增加传热面积。螺旋盘管具有结构紧凑，同时还具有二次环流来增强流体扰动的优点，因此被广泛应用于强化传热。徐峰等通过研究螺旋盘管相变蓄热器的蓄热过程，发现随着传热流体（heat transfer fluid，HTF）入口温度和流速的增大，蓄热时间都减小，温度影响明显大于流速影响。S.Lorente研究竖直螺旋管蓄热器的蓄热特性，发现通过改变螺旋盘管的螺距、直径以及螺旋盘管圈数可以大幅度改变蓄热器的蓄热特性。
然而，国内外学者大多集中在对比不同工况参数对蓄热器蓄热过程的影响，只有少数研究涉及螺旋盘管结构的改变。为此，本文保持螺旋盘管与PCM的传热面积不变，建立5种渐变比螺旋结构模型；通过验证模拟结果的准确性后，模拟研究不同渐变比对PCM熔化过程的影响，计算并对比不同结构下蓄热器的蓄热性能。
1 螺旋盘管蓄热器的模型建立
1.1 物理模型
定义渐变比为螺旋盘管从下到上相邻螺距的比值，保持换热面积恒定，建立不同渐变比的模型，图1为不同渐变比螺旋盘管相变蓄热器的模型示意图。相变蓄热器由三部分组成：螺旋盘管、蓄热器壳体与填充于两者之间的PCM石蜡，其物性参数见表1。圆柱形内径为90mm，高度为300mm；螺旋盘管放置在蓄热器的中心轴，盘管管径为8mm，弯曲半径为50mm，圈数为7。在盘管内流动的HTF为水，入水口在下，出水口在上。壳体与盘管材质皆为铜，均忽略壁厚。
| 物性参数 | 密度 | 比热容 | 导热系数 | 粘度 | 熔化潜热 | 相变温度 | 热膨胀系数 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 单位 | kg·m-3 | J/(kg·K) | W/(m·K) | kg/(m·s) | J/kg | K | 1/K |
| 数值 | 820 | 2500 | 0.295 | 0.03 | 2.1×105 | 320.66 | 0.0006 |
1.2 控制方程
在Fluent软件对蓄热器蓄热过程进行模拟时，为简化计算做如下合理性假设：
第一，假设PCM各向同性，其物性参数各自为常数，不随温度变化，PCM不可压缩；
第二，采用Boussinesq近似来考虑PCM液态时的自然对流换热作用；
第三，蓄热器外壁面按绝热处理；
第四，相变过程不存在过冷（热）现象
基于上述假设，PCM的控制方程如下：
首先为连续性方程：
| （1） |
式中：ρ为PCM的密度，kg/m³；为时间，s；为PCM液相区流动速度，m/s。
接着为动量方程：
| （2） |
式中：为压强，Pa；为动力粘度，Pa·s；为动量方程源项，表示动量损失，表示为：
| （3） |
式中：为液相分数；为糊状区常数，取值在104~107之间；为一个小于0.0001的数，防止分母为0；为牵连速度，凝固材料连续性运动指标，m/s。
最后为能量方程
| （4） | ||
| （5） |
式中：为导热系数，W/(m·K)；为总的焓值，J；为参考温度，K；为定压比热容，J/(kg·K)。
为了定量对比不同渐变比结构蓄热器的蓄热性能，本文引用以下参数：
第一，蓄热量Q计算公式如下：
 |
（6） |
式中：CPCM为相变材料的比热容，J/(kg·K)；m为相变材料的质量，kg；（T2-T1）为相变材料的温度差，K；h为相变材料的相变潜热，J/kg。2）蓄热功率
第二，单位质量PCM蓄热功率，计算公式如下：
 |
（7） |
式中：为PCM完全熔化时所需时间，s。
第三，㶲效率Eta为蓄热时PCM储存的㶲EPCM和HTF所具有的㶲EHTF的比值，计算公式如下：
 |
（8） |
式中：M为HTF的质量流量，kg/h；CHTF为HTF的定压比热容，J/(kg·k)；
式中：Qt为
1.3 边界及初始条件
设置初始及边界条件如下：采用Realizable k-ɛ湍流模型；入口条件设置为速度入口，速度为1.0m/s，出口条件设置为压力出口，HTF与PCM接触的壁面设置为Coupled耦合壁面，外管设置为Heat Flux=0的绝热壁面，材质均为铜；压力速度耦合算法采用SIMPLE算法，压力项修正采用PRESTO方法，其余项均采用二阶迎风格式，能量松弛因子修改为0.8，其余项及残差均保持Fluent默认值；蓄热器蓄热时入口温度为363K，区域初始化温度为303K。
2 结果与讨论
2.1 网格独立性及模型准确性验证
模拟结果通常取决于时间步长及网格离散化，为了验证数值模型及数学方法的准确性，计算3种时间步长(0.1、0.5、1.0)，4种数量网格(172w、217w、244w和276w)对模拟结果的影响。各设置下PCM体积液相分数随时间变化的差异不大。为了减少模拟所需时间，采用0.5s时间步长及217w个网格足以达到模拟的精度需求。
为验证数值模拟的可靠性，将文献中的实验进行建模，按照实验的各种参数进行模拟设置，将模拟结果和实验数据进行对比。发现模拟所得数据和实验数据变化趋势相同，误差均在2%以内，误差可能原因是实际实验外管壁虽覆盖绝热层，但仍达不到绝对绝热效果，材料存在一定厚度其热阻影响导热效果。但整体来说，模拟数据和实验数据误差不大，数值模拟可以几近真实反映实际情况，模拟设置有效。
2.2 液相率分析
图2为不同渐变比结构下蓄热过程中PCM在不同时刻的液相分布云图。
从液相率云图结果可以看出，800s时已熔化的PCM聚集出现在螺旋盘管附近，并逐渐向外扩散。随着渐变比的增大，螺旋盘管越来越集中在蓄热器的下方，使得蓄热器下方的PCM体积小，上方PCM体积大，所以在相同时间下，随着渐变比的增大，蓄热器上方的液态PCM越少。随着蓄热过程的进行，1400s时，蓄热器中形成了更多的液体PCM，自然对流成为主导的传热机制，由于密度差，密度小、温度高的液态PCM在浮升力的作用下向蓄热器的上方聚集，密度大、温度低的PCM聚集在了蓄热器底部，而在渐变比大的蓄热器中，在螺旋盘管集中处形成了液态PCM层。在1800s时，渐变后的螺旋盘管蓄热器液态PCM更多，且上方仍然有未熔化的PCM，延长了自然对流的作用时间，在3500s时，传热方式又回到了以导热为主，优化后的渐变式螺旋盘管蓄热器展现出了更优的传热速度。
2.3 温度分析
图3为不同渐变比结构下蓄热过程中PCM在不同时刻的温度云图。PCM最初置于环境温度并与螺旋盘管紧密接触，充分的传热导致螺旋盘管周围的PCM急剧升温。随着蓄热过程推进，由于优化前螺旋盘管蓄热器中PCM趋向于沉降在蓄热器底部，导致导热效果微弱和蓄热时间延长。因此将更多的螺旋盘管集中在蓄热器下部，可以有效减小沉降的影响。螺旋盘管结构优化后，固态PCM聚集在容器顶部，这是因为底部换热剧烈而顶部的换热区域有限。在这种结构下，蓄热器下部的固态PCM沉降更少，而上部固体PCM向下沉降时会被下部的传热区域高效熔化。此外，随着熔化过程在底部剧烈开展，热量在PCM固-液密度差产生的浮力以及固-液转变时体积膨胀的共同作用下向上传递。优化后结构比优化前结构蓄热器内部的温度分布更加均匀，这意味着优化后的渐变式螺旋管结构可以有效减少垂直方向上的热分层现象，改善蓄热器的传热性能。
2.4 蓄热性能分析
分析不同渐变比对㶲效率的影响。盘管螺距从入口到出口逐渐增大会导致HTF在盘管内的流速减缓，湍流减弱，与盘管壁面之间的传热效率降低，而传热效率的降低会增加传热过程中的不可逆损失，从而降低㶲效率。采用螺距渐变比的螺旋盘管结构能够减少局部过热或过冷，从而减小熵产，提高㶲效率。因此螺距渐变式螺旋盘管结构对蓄热器㶲效率的影响是双面的，定量计算各渐变比下PCM完全熔化时的㶲效率如图4所示，在PCM完全熔化时，渐变比1.5的结构蓄热器的㶲效率最高，渐变比1.0结构的㶲效率最低，五种优化后的渐变式结构对㶲效率都有提升作用，其中X=1.5的渐变式螺旋盘管结构蓄热器较X=1.0的优化前的㶲效率提升了2.66%。X=1.5的渐变式螺旋盘管结构蓄热器较优化前的蓄热功率提升了59.34%；随着渐变比的增大，蓄热量也增大。PCM的潜热、比热容和熔点都是固定的，最终蓄热量取决于PCM在熔化后期所达到的平均温度。渐变比为1.5的蓄热器具有较大的蓄热量，较优化前的蓄热量增加了45.69kJ。
3 结论
基于传统等距螺旋盘管蓄热器的不足，通过改变其螺距，探究了不同渐变比螺距的螺旋盘管蓄热器的蓄热特性，模拟结果表明：第一，在螺旋盘管换热面积相同时，在热传导为主要换热方式的第一阶段，不同结构在相变材料熔化效果方面的表现几乎相同。第二，在自然对流为主导的第二蓄热阶段，对比传统等距螺旋盘管蓄热器出现的上部过热而下部不熔化的现象，优化后的渐变式结构可以通过延长自然对流的时间来强化自然对流的作用，从而改善垂直方向热分层的现象，加快相变材料的熔化。第三，本文中渐变比越大的结构蓄热性能越好，但随着渐变比的增大，提升的幅度越小，尤其1.4到1.5的提升不大。当渐变比为1.4和1.5时，蓄热功率提升了52.69%和59.34%，㶲效率提升了2.34%和2.66%。
参考文献：
- [1] 陈贡.提高相变材料热导率的研究进展[J].化工新型材料,2024,52(S2):11-15.
- [2] 林志强,赵钟兴,宋金亮,等.低熔点氯盐/膨胀石墨复合材料的制备及传蓄热性能研究[J]. 功能材料,2023,54(10):10180-10185.
- [3] 张璐荻,周国兵.卧式套管潜热蓄热单元偏心与肋片结构优化模拟[J].储能科学与技术,2024,13(03):1019-1029.
- [4] 孙岩松,许锦阳,洪芳军.高温梯级相变胶囊堆积床储热系统数值研究[J].制冷技术,2022,42(06):1-8.
- [5] 徐峰,孙勇,师涌江,等.螺旋盘管相变蓄热装置蓄热特性研究[J].河北建筑工程学院学报,2013,31(01):56-62.
- [6] S Lorente , A Bejan , J L Niu . Constructs design of latent thermal energy storage with vertical spiral heaters[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015,81:283-288.
- [7] 郭艳芹,曾镇,张弘光,等.双螺旋盘管内膨胀石墨对相变材料的传热强化机制与蓄放热性能[J].储能科学与技术,2023,12(12)：3678-3689．