高温不锈钢肋板式相变蓄热器蓄放热性能的数值模拟

高温不锈钢肋板式相变蓄热器蓄放热性能的数值模拟

0高温相变蓄热器结构设计作为缓解环境压力和新能源利用的重要技术，太阳能热机技术已成为世界研究的热点。但是由于太阳能本身的时限性和不稳定性,使得太阳能高温热存储研究越来越具有重要意义。相变蓄热技术是利用物质在发生相变(固-液、液-气、固-气)过程中,伴随大量热能的释放和吸收,对不稳定、不连续的能量进行充分利用的节能技术之一,这种技术在太阳能热利用、工业余热回收、采暖与空调等节能领域中有很好的应用空间,已成为全世界研究的重点。高温相变蓄热器主要有:套管式蓄热器、板式蓄热器、螺旋管式蓄热器、热管式蓄热器等。本文针对太阳能高温热存储释放时间长等问题,提出了一种新型的高温相变蓄热器——不锈钢肋板式换热器,该肋板式蓄热器板间肋片组成蜂窝状结构,具有结构紧凑、换热面积大、传热效率高等优点,具体结构如图1所示。本文将利用计算流体动力学方法建立其三维熔化与凝固模型,并分析肋片类型、载热体(HeatTransferFluid,HTF)入口参数对蓄热器蓄/放热性能的影响。1分散研究的流动、加热模型和边界条件1.1相变传热模拟相变传热问题包括相的变化和热传导两个物理过程,比单一的热传导过程显得更为复杂。应用Fluent软件进行相变传热分析的数值模拟,目前国内外少有报道,并且基本上都停留在处理第一类边界条件和二维模型模拟上,和实际情况有较大差别。本文利用Fluent软件中Solidification/Melting模块建立了三维物理模型,以合成导热油为载热体、NaNO3为相变材料(PCM—PhaseChangeMaterial)进行相变传热模拟,分析了肋片结构、HTF入口参数对蓄热器蓄/放热性能的影响。Fluent中的Solidification/Melting模块采用焓法模型,将整个计算区域看成多孔介质,多孔介质的多孔性被联合到整个区域的每个单元,用单元中的液相率β来表示。熔化过程中,相变材料由固态转为液态,固相PCM逐渐减少,液相PCM逐渐增加,PCM的液相率也相应地从零逐渐增加,当PCM完全熔化时,液相率增加到1;凝固过程则正好相反,当PCM完全凝固时,液相率为零。β的定义式为:其中,T—相变蓄热材料的平均温度;Tsolidus和Tliquidus——分别是相变蓄热材料的凝固点和熔点。对于单一介质(Tsolidus=Tliquidus),相变过程中有固定的固-液界面曲线;对于非单一介质,一般情况下,相变过程中有固-液共存区,该区域的液相率即为0<β<1。Fluent模型在多孔介质的单元中设置相等的流体阻力。在全凝固区域,液相率为零,速度也为零。在模糊区域,由于液相率的减少而造成的动量损失为:其中,β——液相率;ε——一个小于0.0001的常数,以防止分母为零引起震荡;Amush——糊状区域常数,是测试阻尼振幅的尺度,本文取值为10000;——牵连速度。1.2蓄热装置的传热和流动数学模型本文关于肋板式蓄热器蓄/放热特性的研究主要基于湍流的流动形式。在忽略体积力的条件下,相应的控制方程本文分为两个区域进行分别定义。1.2.1w、td-s计算1)连续性方程:其中,ρf——导热油的密度,kg/m3;u,v,w——速度分量,m/s。2)动量方程(标准k-ε):3)能量守恒方程:其中,k——对流换热系数,W/(m2·K);Tf——热流体温度,K;cf——热流体的定压比热,kJ/(kg·K)。1.2.2进程phFLUENT中的凝固/熔化模型是以焓为待求变量的,其基本方程形式为:不考虑对流和内热源的情况下,方程为:(8)其中,H=h+Δh;;ΔH=βL;H——任意时刻的比焓,kJ/kg;href——基准焓(初始焓值),kJ/kg;h——显热,kJ/kg;ΔH——潜热比焓,kJ/kg;Tref——基准温度(初始温度),K;L——PCM相变潜热,kJ/kg;β——液相率;cp——定压比热,kJ/(kg·K);ρ——密度,kg/m3;λ——导热系数,W/(m·K);T——蓄热体任意时刻温度,K。1.3储热器的几何模型和边界条件1.3.1模型的建立与分析本文所研究的蓄放热过程:首先将NaNO3灌装到PCM通道内(肋片类型为60JC4002或60DK4002),然后将PCM通道进出口封闭使之成为独立空间;导热油从蓄热器的另外一个通道(HTF通道)(肋片类型为30JC4002或30DK4002)的进口流入在蓄热器中完成换热以后经出口流出蓄热器。在此期间低温固态的PCM从高温HTF侧吸收热量(低温HTF从高温液态的PCM侧吸收热量)熔化变成液态(PCM凝固成为固态),从而完成能量的吸收与释放,达到相变蓄能的目的。肋板式蓄热器的内部芯体是由冷、热流体通道钎焊叠置成蜂窝形状的结构,虽然内部结构复杂,但热量传递和流体流动具有明显的周期性,因此可以建立局部的数值模型来反应整个肋片的流动与传热情况。为便于比较分析,本文选取了具有相同特征参数的多孔肋片和锯齿肋片(图2和图3),所建模型的宽度为4mm,长度为60mm,高度为两层肋片高度(10.38mm)。为了便于模拟分析,本文对模型进行如下假设:①PCM(NaNO3)的材料性质是各向同性的;②PCM(NaNO3)的固、液相比热,导热系数,密度均为常数,且不随温度变化;③PCM(NaNO3)中的传热以热传导为主,忽略辐射换热和由于重力引起的自然对流的影响;④蓄热器和HTF之间的对流换热系数恒定;⑤载热体(导热油)是不可压缩的,且在通道内的流动是湍流状态;⑥蓄热器与外界绝热。1.3.2段工况及温湿度速度入口:给出入口边界上的速度,设置输入量包括进口流速和静温(考虑能量)。蓄热器导热油进口流速和进口温度由上段工况及环境温度决定,为便于比较分析本文将两个模型设定相同的进口流速和温度。出口为充分发展的流动,定义为outflow。相变蓄热器上下表面(wall)绝热。模型两侧设为对称性边界条件。载热体和相变区的换热面为耦合边(coupled),耦合边界形式为温度连续:其中,f——载热体区域;p——相变区域。具体边界条件见图2、图3。2不同材料和肋片温度对蓄热器蓄/放热特性的影响蓄热器的蓄/放热速度(释放和吸收热量的速度)是判断蓄热器性能好坏的唯一标准,为了优化该新型蓄热器的蓄/放热特性,本文从肋片类型以及HTF的入口参数两个方面进行相关研究。主要研究内容包括:锯齿肋片和多孔肋片对蓄热器蓄/放热特性的影响;HTF入口温度对蓄热器中PCM熔化速度的影响;HTF入口温度对蓄热器中PCM凝固速度的影响;HTF入口速度对蓄热器中PCM熔化速度的影响以及HTF入口速度对蓄热器中PCM凝固速度的影响;比较不同肋片类型对蓄热器不同蓄放热特性的影响。为了便于比较分析,在模拟中,在熔化过程中赋予相变材料和肋片的初始温度为571K;在凝固过程中赋予相变材料和肋片的初始温度为585K。2.1不同入口温度对蓄热器蓄热特性的影响本文在进行蓄热计算时,分析了在HTF的入口温度为585、590、595、600、605K,入口速度为1、1.25、1.5、1.75、2m/s,配对参数下的蓄热器的蓄热特性。本文比较了HTF入口速度为1m/s,入口温度分别为585、590、595、600、605K时蓄热器的蓄热时间(图4);HTF入口温度为600K、入口速度分别为1、1.25、1.5、1.75、2m/s时蓄热器的蓄热时间(图5)。通过比较发现,在相同的入口参数下,采用多孔肋片比采用锯齿肋片的熔化时间短;且在入口速度相同的情况下,随着传热温差的增加这种时间上的相对差距呈增大趋势;在相同的传热温差条件下,二者时间上的差距随着入口速度的增加逐渐变小。2.2入口速度对蓄热器放热特性的影响本文在进行放热计算时,分析了在HTF的入口速度为1m/s,入口温度分别为551、556、561、566、571K时,蓄热器的放热时间(图6);在HTF的入口温度为556K,入口速度分别为1、1.25、1.5、1.75、2m/s时,蓄热器的放热时间(图7)。将两种肋片对蓄热器的放热特性的影响进行比较,发现在相同的入口参数下,采用多孔肋片的完全放热时间较采用锯齿肋片时要短;且在相同的入口速度情况下,二者时间上的相对差距随着传热温差的增加逐渐变大;在相同的传热温差条件下,二者时间上的差距随着入口速度的增加逐渐变小。2.3竞争条件下hrt-pcm直直断网络注射本文发现无论何种类型的肋片蓄热器,在蓄热过程中,随着HTF入口温度的增加PCM完全熔化的时间也越来越短,且在温度由585K增加到595K时的时间缩短较为明显(图4);在HTF入口温度固定的情况下,随着HTF入口速度的增大,PCM完全熔化的时间越短(熔化速度越快);反之,PCM完全熔化的时间越长。但这种趋势并不是均匀变化的(图5)。2.4入口速度差的或入口速度本文研究表明在蓄热过程中,随着HTF入口温度的减少(传热温差的增大)、入口速度的增加,PCM完全凝固的时间也越来越短,这种趋势也不是均匀变化的;在温度由556K减小到551K、速度由1～1.25m/s时,凝固时间缩短的趋势尤为明显。2.5主要的凝固时间本文所讲的相同传热参数是指HTF的入口温度与PCM主体的温差及HTF的入口速度相同,综合比较图4与图6、图5与图7,发现在传热参数相同的情况下,两种肋片结构形式的蓄热器的完全凝固时间均明显短于完全熔化时间,说明该蓄热器的放热速度明显大于蓄热速度。2.6pcm区域的温度分布本文在研究肋片强化传热特性时,考虑到肋片结构的周期性和蓄热放热过程的相似性,只截取了锯齿肋片在HTF的入口参数为V=1m/s、T=556K,传热时间为8s时PCM区域的温度分布图(图8)。从图中可以发现,在垂直于肋片的界面上具有明显的温度差异:HTF入口区域的PCM较出口区域的温度低(凝固速度较快);同时,靠近肋片区域的温度较远离肋片区域的温度要低(凝固速度明显比其他区域要快)。说明了肋片在肋板式蓄热器中的强化传热效果十分明显。3不同入口参数对该新型肋板式蓄热器蓄/放热特性的影响1)相对高温肋板式相变蓄热器而言,多孔肋片的强化传热特性明显优于锯齿肋片的强化传热特性,使用多孔肋片的高温相变蓄热器的蓄/放热性能明显强于使用锯齿肋片的蓄热器;2)随着HTF入口速度及PCM主体温度的差值的增加,PCM发生相变的速度越快,但这种变化趋势是非均匀的;3)分析结果表明,在HTF的入口速度与PCM主体温度的差值相同的条件下,蓄热器的放热