相变材料在吸热蓄热器中的应用

相变材料在吸热蓄热器中的应用

0太阳能热动力发电系统关键部件的设计室内太阳能热动力发电系统是一种不同于太阳照明设备的空间电源系统。在大的应用中，它显示出其高效率、高可接近性和长期运营的成本效益。它被提议用于自由绳空间站。目前较成熟的系统是1994年底在NASALewis研究中心研制成功的2kW地面样机,到目前已经进行了超过800h的实验,实现了预期的设计结果,标志着这一重要的空间电源技术进入了一个新的阶段。吸热蓄热器是空间太阳能热动力发电系统的关键部件。通过它的吸热和蓄热,保证系统在轨道的日照期和阴影期都能正常工作。目前采用的圆柱型吸热蓄热器结构为多根换热管平行分布在吸热腔内壁、换热管外沿轴向套装多个相变容器。NASA2kW样机的吸热蓄热器每根换热管外套装24个蓄热容器,容器内充装高温相变材料(PCM)。在作者前期研究中发现由于换热管沿轴线方向的外壁太阳入射热流不同以及内壁换热工质温度不同,使得轴向各蓄热单元的熔化率有很大不同,入口段的PCM根本起不到蓄热的效果,造成了蓄热材料潜热蓄热能力的浪费,增加了系统质量,也造成了工质出口温度的较大波动,即使通过改变吸热腔入射热流分布也难于解决此问题。该现象通过地面实验也得到了验证。文献中提出采用不同熔点温度的相变材料组成蓄热单元的组合PCM换热管概念,通过分析表明可以很好地改善系统的性能。但这种方案采用了每个容器为一种相变材料,实现起来非常困难。本文提出了利用非共晶混合熔盐的相变区为一个温度区间的概念,可以大大简化组合PCM换热管的实现方法。通过对吸热腔辐射换热、换热管的蓄放热传热的数值模拟表明,采用非共晶混合熔盐的方法只需很少的PCM组合就可以较好地提高吸热蓄热器的热性能。计算采用了文献介绍的吸热蓄热器计算程序SOLREC-TSD的计算流程。吸热蓄热器的详细结构描述参见。1蓄热材料的性质图1对应典型的二元共晶系统相图,纵轴代表温度,横轴代表组份。其中α对应组元A,β对应组元B,A的熔点在C。在A中加入组元B后(B熔点在D),熔点沿线CE随成份逐渐下降,直到E点,两相同时结晶,称为共晶点。折线CED为液相线,MEN为固相线,两条线将共晶系统分为四相,即液相线以上为液相区,固相线以下为固相区,在液相线和固相线之间的区域为其它两相,α+L、β+L,分别对应A相、B相与液相的混合物。NASA2kW样机采用的蓄热材料就是处于共晶点,相变温度为1040K的80.5LiF-19.5CaF2混合物。如果不取共晶点的混合物比例,混合物相变区将向左或右移动,例如图1所示的IH,这样非共晶混合物的固液相变区域就扩大为从I到H的区间。利用该工作原理,就可以将非共晶混合物应用到组合PCM换热管概念,采用一种非共晶混合物就可以满足一定相变温度区间的要求。2工质导管区内射线入射热流图2为吸热蓄热器单根换热管模型。多个PCM单元套装在工质导管外,各单元间采用绝热垫片隔开,减小容器间的相互影响,以提高系统的可靠性。工质导管区采用中央封堵的结构,工质在环形通道中流动。各容器外分布着不均匀的入射热流,包括太阳入射热流和各容器间的辐射换热。其中NASA给出的地面试验太阳入射热流如图3所示,横坐标对应轴向24个容器,纵坐标对应个容器表面热流的比例。吸热腔辐射换热计算参见文献。3相变温度及计算条件对于该固液相变问题采用焓法模型求解。三维柱坐标系下,焓法形式的能量平衡方程为:∂(ρh)∂t=k(∂2T∂r2+1r∂R∂r+1r2∂2T∂θ2+∂2T∂z2)(1)∂(ρh)∂t=k(∂2Τ∂r2+1r∂R∂r+1r2∂2Τ∂θ2+∂2Τ∂z2)(1)将整个换热管求解区域划分为四个区,分别为固相PCM、液相PCM、糊相PCM(处于相变区)和容器导管壁。对应四个区,温度与焓的关系分别为:其中h——比焓;ΔHm——相变潜热;ρ——T=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪Tm+h/csTm+h/chTm+ε+(h−ΔHm)/c1h/cwh＜00≤h≤ΔHmh＞ΔHm固相PCM糊相PCM液相PCM容器及⌶质导管壁⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪(2)Τ={Τm+h/csh＜0固相ΡCΜΤm+h/ch0≤h≤ΔΗm糊相ΡCΜΤm+ε+(h-ΔΗm)/c1h＞ΔΗm液相ΡCΜh/cw容器及⌶质导管壁}(2)密度;c——比热;ε——熔化区温度范围;下标m,l,h,s,w——分别表示熔化点、液相、糊相,固相、容器壁。方程中假设糊相区相变潜热在相变区间均匀分布,即糊相区也存在比热容,为:ch=ΔHmε(3)ch=ΔΗmε(3)而糊相区液相PCM质量比例为:f1=h/ΔHm(4)f1=h/ΔΗm(4)根据文献的分析计算,组合PCM温度范围为915K～1045K之间,在计算中采用了两种假设的相变材料。一种为非共晶混合物,共晶点温度为900K,相变范围在900～1050K,用于换热管入口段的9个容器;后面的15个容器采用共晶混合物,共晶点温度为1050K。假设两种相变材料的物性都与80.5LiF-19.5CaF2相同。具体的相变材料选择还要根据具体的要求和所能获得的熔盐来确定。文献给出大量的熔盐混合物的相图,可以作为参考。材料的物性参数和吸热器几何尺寸参见文献。网格的划分如图2所示。其它计算条件同文献,具体如下:计算轨道周期10个;日照周期66min,阴影期27min;空间热沉温度200K;容器表面辐射率为0.8;吸热器入射能量为15.1kW;工质入口温度为838K;系统初始温度为800K;单管工质流量为6.7g/s;计算采用显式求解,时间步长取0.025s。4不同蓄热单元的pcm优化本文计算了10个轨道周期。在第5个周期后基本达到动态平衡,下面的分析对应第5个轨道周期的计算结果。图4为计算得到的整根换热管的总PCM熔化率与单PCM方案计算结果的比较。其中实线为本文计算的结果,虚线为单PCM情况的结果。可以看出单PCM对应的熔化率变化为0.1～0.67,变化范围为0.57。而采用非共晶混合物得到的PCM熔化率变化为0.17～0.92,变化范围为0.75,较单PCM吸热蓄热器方案的0.57增加了0.17,接近组合PCM方案对应的最优熔化率。PCM熔化率变化范围反映了相变材料的潜热利用率,也代表了相变材料的实际利用率。显然利用率的提高意味着采用较少的PCM就可以达到蓄热要求。这说明采用本文提出的方案对于减小系统的质量是非常有益的,这对于空间应用也是非常重要的。图5对应换热管轴向24个蓄热单元的最小和最大PCM熔化率的比较,其中(a)为单PCM方案,(b)为本文计算方案。从图中可以看出,单PCM换热管在给定工作条件下前6个单元在整个轨道期都不会熔化,意味着这6个单元的潜热蓄热能力没有任何利用,造成相变材料蓄热能力的较大损失。本文提出的方案也主要是为了提高换热管入口段的相变材料的利用率。根据目前的工作状况,最好的办法就是降低入口段PCM单元的相变点。通过计算表明在目前方案下,前9个容器单元的PCM熔化率几乎成线性逐渐增加,熔化率的变化范围约为0.7。之后进入熔点为1050K的共晶混合物PCM区,阴影期和日照期曲线都接近单PCM方案,只是容器10～20的熔化率还不到1,没有达到完全熔化。各单元基本上都较均匀地起到蓄放热效果。图6表示了第5个周期蓄热换热管的最大温度和工质出口温度的变化,(a)为单PCM方案,(b)为本文计算方案。单PCM情况下,换热管最大温度变化在1040～1140K之间,变化幅度为100K;工质出口温度为1030～1100K,变化幅度为70K。在本文提出的方案下,换热管最大温度变化在1050～1118K之间,最高温度降低了22K,变化幅度将为68K,比单PCM情况降低了32K,有利用提高换热管的寿命;工质出口温度变化为1036～1064K,变化幅度仅仅为28K,比单PCM工质出口温度变化幅度70K降低了42K,有利于整个系统的稳定运行、提高系统的效率。5使用组合pcm换热管方案本文提出采用非共晶混合熔盐相变材料提高吸热蓄热器性能的方案,很好的利用了非共晶混合熔盐相变区为一个温度区间的性质。通过计算分析表明在减小换热管最大温度、均匀工质出口温度、提高各容器PCM熔化率和换热管总PCM熔化率等方面都大大优于单PCM方案,几乎可以达到组合PCM换热管方案的效果,而方案则要简化许多,使组合PCM换热管概念有了实现的可能。对于大功率系统,如25kW吸热蓄热器的换热管将套装82个蓄热容器,如果采用简单的单PCM方案,则会有更多相变材料得不到利用。而采用本文提出的方