相变蓄热球堆积床热性能分析

相变蓄热球堆积床热性能分析

能源储存技术是提高能源使用效率和环境保护的重要技术。采用能源储存技术可以调整能量的需求，在电网上实现能耗的峰值，平衡能量系统，降低能耗，节约运行成本，提高能源效率。以固相变质量为例，这种储存技术使用多余的热量。利用多余的热量使存储材料形成固相变，热量主要以融化潜在热的形式储存。在热容量中，为了实现某些储存材料的固体行为，必须使用热量。为了实现固体变量，必须将储存材料稀释为室温变化形状。利用可变潜热储存材料，通常称为突变材料（pcm）。例如，当空调系统的冷却能力储存时，由于冷量储存和储存时，储热材料的转化方向正好相反。由于材料转化时温度几乎没有变化，而且转化后的蓄热非常大，因此蓄热密度高，蓄热设备的尺寸和质量小。此外，材料转化后的吸收和释放效率也很高，因此整体蓄热系统具有高效率。因此，近年来，这种蓄热方法引起了国际的关注，成为研究热点。目前常见蓄热槽结构方式有板状、管状、柱状、球状等.本文计算所采用蓄热器计算模型为圆筒型蓄热器,蓄热器壁面绝热,器内填充了多层球形蓄热体.蓄热体为填充了相变材料的微小(毫米级)球状物体,共90层,它们紧密堆积在一起形成了堆积床.从太阳能集热器产生的热媒水进入水箱,热媒水通过循环泵在蓄热器中循环,使蓄热器中的蓄热小球开始蓄热(放热),当热媒水温度高于相变材料时,把热量传递给相变材料(PCM),储存起来备用;反之,由相变材料(PCM)加热热媒水,之后热媒水再回到蓄热水箱、通过地板采暖给房间供暖或提供生活热水.当蓄热器中PCM的温度达到热媒水进口温度时,蓄热(放热)过程结束.1球内相变时的分析在蓄热球的蓄放热过程中,热媒水与蓄热球进行热量交换,使蓄热球内的相变材料在一定温差下发生相变.传热过程由球外壁向球内进行,相变也由壁而向球内逐层深入,直到整个球内完全发生相变.为分析问题方便,在建立蓄热球传热模型前,做如下假设:1)相变介质中热量的传递以导热为主,忽略自然对流的影响;2)相变温度恒定,蓄热体之间的相互影响不考虑;3)相变介质固液两相的比热容、导热系数、密度均为常数,不随温度变化;4)流体区域的传热为一维对流扩散问题,且与蓄热器外环境无热量传递;5)PCM与热媒体之间的对流换热系数在蓄热器内区域恒定.以上假设使描述蓄热容器蓄放热过程的数学模型大为简化,同时为采用一维模型提供了充分的保证.1.1对流系数ro球状蓄热体由于几何尺度非常小,采用一维球体导热微分方程ρΡ⋅cΡ⋅∂ΤΡ∂t=λΡ1r2⋅∂∂r(r2⋅∂ΤΡ∂r).(1)ρP⋅cP⋅∂TP∂t=λP1r2⋅∂∂r(r2⋅∂TP∂r).(1)此处,下标P表示蓄热体颗粒,ρ表示密度(kg/m3),c表示比热容,λ表示导热系数.采用焓法求解相变问题,相应的比焓方程形式为ρΡ⋅∂ΗΡ∂t=λΡ⋅1r2⋅∂∂r(r2⋅∂ΤΡ∂r),(2)ρP⋅∂HP∂t=λP⋅1r2⋅∂∂r(r2⋅∂TP∂r),(2)其中,H表示比焓(J/kg).比焓与温度的关系式H=f(T)为Η={(t-tm+ε)⋅cs+Η*s,t≤tm-ε‚(t-tm+ε)⋅Η*t-Η*s2ε+Η*s,tm-ε≤t≤tm+ε‚(t-tm-ε)⋅ct+Η*t,Τ≥Τm+ε‚(3)H=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪(t−tm+ε)⋅cs+H∗s,t≤tm−ε‚(t−tm+ε)⋅H∗t−H∗s2ε+H∗s,tm−ε≤t≤tm+ε‚(t−tm−ε)⋅ct+H∗t,T≥Tm+ε‚(3)其中,tm表示蓄热体材料的相变温度(℃),下标s表示固相参数,下标l表示液相参数,H*s表示固相饱和比焓(J/kg),H*t表示液相饱和比焓(J/kg),cs表示固相比热容,cl表示液相比热容,ε是为方便计算而取的微小的相变温度区间.对流换热系数h可以从下式计算,该式针对流体满足在任意形式排列的球体间流动的情况.Nu=3.22Re1/3Pr1/3+0.117Re0.8Pr0.8.(4)雷诺数Re可以从关系式Re=ρud/μ获得,其中d是球体的直径,u是床层中的平均流动速率.Pr为普朗特数,μ为流体的动力度.对流换热系数可以由努塞尔准数决定h=kfΝudh=kfNud,(5)其中kf是流体的导热系数.1.2太阳能蓄热特性本模拟计算采用的相变蓄热材料为二十烷(C20H42),在常温下,其特点是相变潜热大、无毒、无腐蚀性,在500℃以下化学性质稳定,熔化时体积变化率小以及没有明显的过冷现象,适用于太阳能蓄热,其物性参数、初始参数见图1.1.3性能曲线图的绘制将上述微分方程离散化得到线性代数方程,用TDMA方法求解比焓方程.本模拟程序采用CAD中VisualBasic编辑器实现.窗体如图1所示,通过查资料获取二十烷的各物性参数,再确定要模拟的工况及相变材料蓄热体的半径和分层数;将所有以上参数分别填入对应框内,选择“必选框”内某一项以便确定要绘制的性能曲线图;最后点击“确定”等待最后输出“蓄热时间”,性能曲线绘制在CAD中.通过改变“要研究的层(点)”和“要研究的时刻(分钟)”实现绘制其他状态条件下的性能曲线.蓄热过程开始时蓄热球初始温度为30℃,热媒体的温度保持40℃不变.2结论分析2.1相变导热过程图2为同一层(取第75层)各时刻蓄热性能曲线图,由图可见随着传热过程的深入,相变球逐渐吸收热媒体的热量,温度开始上升,经历蓄存显热的纯导热过程,而后温度逐渐升高到相变温度区间的下限36.9℃;之后进入蓄存相变潜热的相变导热过程,蓄热球开始发生相变,PCM开始熔化,温度缓慢上升,最终达到相变温度区间的上限37.5℃,这一过程持续了较长时间,所以温度曲线接近一条水平线;当蓄热球的中心点温度达到37.5℃时标志着整个蓄热体蓄存相变潜热的完毕,之后进入完全的纯导热过程,这个过程很快,因此有一个温度突然跃升的现象;最后当中心点的温度到达预定温度40℃,标志着整个蓄热过程的结束.图3为同一时刻(取第10min)各层蓄热性能曲线图.由图可见,由于热媒体的温度高于蓄热球的相变温度,蓄热球在持续吸收热媒体的热量,由于蓄热球的位置不同,所吸收的热量也不同,蓄热球各层的温度逐渐增加,下层的温度高于上层的温度.2.2相变温度条件下显热释放阶段图4为同一层(取第75层)各时刻放热性能曲线图,放热过程开始时蓄热球初始温度为40℃,冷媒水的温度为30℃,此时蓄热球将热量传递给冷媒水,放热过程中,在开始的一段时间内PCM小球的温度下降很快,这是PCM释放显热的阶段,当温度一直下降到PCM的相变温度范围附近后,达到PCM的潜热释放阶段.温度在相变温度区间内缓慢降低,接近一条水平线,直到达到相变温度区间的下限36.9℃;然后迅速释放剩余的显热,温度突降;最终蓄热体释放完全部剩余的显热,温度达到设定温度30℃,放热过程结束.图5为同一时刻(取第6min)各层放热性能曲线图,冷媒水进入蓄热器后,首先吸收第1层的PCM小球所释放的热量,然后逐渐向上移动,同时,由于冷媒水吸收了PCM的热量而使温度上升,当它继续向上流动时,HTF与PCM之间的温差减小,造成各层PCM的放热速率不一致,使每层蓄热球的温度不同.这样就能够保证通过地板采暖给房间供暖或提供生活热水所需要的温度.4蓄热体及其热回收利用技术曲线1)建立了一维蓄热球相变蓄放热模型方程,并对其进行了离散求解.2)实现了蓄