多排管相變蓄熱器內(nèi)填充石蠟石蠟膨脹石墨復(fù)合材料的數(shù)值模擬

多排管相變蓄熱器內(nèi)填充石蠟石蠟膨脹石墨復(fù)合材料的數(shù)值模擬

1相變蓄熱裝置這種儲(chǔ)熱方式利用了高蓄熱密度、體積變化小、儲(chǔ)熱能力強(qiáng)、儲(chǔ)熱過(guò)程的溫度幾乎相同，蓄熱過(guò)程容易于控制和管理，因此成為最具潛力的儲(chǔ)熱方法。在各種相變材料中,石蠟因具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性,無(wú)過(guò)冷和析出現(xiàn)象,相變潛熱較高等優(yōu)點(diǎn)而成為常用的蓄熱材料,但是這類(lèi)材料的熱傳導(dǎo)率卻很低,從而在一定程度上限制了它的應(yīng)用。為改善相變材料導(dǎo)熱能力差的缺點(diǎn),通常采取的措施是將相變材料加入在高孔隙率的多孔介質(zhì)中、在相變材料中安置金屬結(jié)構(gòu)、在相變材料中分散高導(dǎo)熱顆粒以及添加具有高導(dǎo)熱率、低密度的填充材料等,由此來(lái)提高蓄熱系統(tǒng)的蓄、放熱的速率,達(dá)到強(qiáng)化相變蓄熱裝置熱性能的目的,但均存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造工藝難度大、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)[1~5]。周素娟等研究了套管型蓄熱裝置中填充月桂酸作為PCM,在熱泵熱水器中的應(yīng)用時(shí)的模型,通過(guò)分析建立數(shù)學(xué)模型,在Fluent軟件中進(jìn)行模型求解。根據(jù)數(shù)值結(jié)果,對(duì)溫度場(chǎng)、液相場(chǎng)、熱流密度的變化規(guī)律作了分析。楊靈艷等建立了3套管相變蓄能換熱器的數(shù)學(xué)模型,針對(duì)液態(tài)相變材料層引入了有效熱導(dǎo)率,模擬穩(wěn)態(tài)下傳熱溫度場(chǎng)。本文結(jié)合前人的工作,提出了一種多排管式蓄熱器,由28根不銹鋼管焊接成一個(gè)整體,其內(nèi)部構(gòu)成熱媒體水的通道,而外部的長(zhǎng)方體形箱體則用來(lái)封裝相變材料石蠟,即相變材料封裝在管子與箱體之間的空間,可與管子表面充分接觸,增大傳熱面積,進(jìn)口管及出口管穿過(guò)箱體與28根內(nèi)部管子連接,利用FLUENT軟件,對(duì)這一多排管式相變蓄熱器內(nèi)分別填裝石蠟和石蠟/膨脹石墨復(fù)合材料時(shí)的熔化過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,分析了多排管蓄熱器內(nèi)填充兩種相變材料時(shí)蓄放熱過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布情況、相界面移動(dòng)規(guī)律等,為多排管式相變蓄熱器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考依據(jù)。2相變材料通放電整理蓄熱裝置是由28根換熱管和一個(gè)立方形箱體組成,如圖1所示。每根管的長(zhǎng)度為300mm,外徑為20mm,厚度1.5mm,28根管子相灌互通,形成熱媒體水通道。外面箱體長(zhǎng)寬各400mm,高500mm,各面均絕熱,用來(lái)封裝相變材料。在管子和箱體之間充裝相變材料,填充時(shí)分為2種情況:一種是只填充純石蠟,另一種是將10%的膨脹石墨添加在石蠟中形成復(fù)合相變材料,以提高其導(dǎo)熱能力。進(jìn)口管及出口管穿過(guò)箱體與28根內(nèi)部管子連接,流動(dòng)的熱媒體水給相變材料加熱或冷卻,箱體各面均絕熱。模型建立后,利用GAMBIT中網(wǎng)格劃分工具采用四面體單元類(lèi)型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖2所示。3數(shù)學(xué)模型3.1流域數(shù)學(xué)模型式中u,v,w———速度分量,m/s式中p———壓強(qiáng),Pa(3)能量公式式中k———對(duì)流換熱系數(shù),W/(m·K)Tf———熱流體溫度,Kcf———定壓比熱容,kJ/(kg·K)3.2采樣區(qū)域數(shù)學(xué)模型FLUENT的凝固/熔化模型是以焓為待求變量,其基本方程形式為:式中ρ———密度,kg/m34復(fù)合材料模型的建立在FLUENT中進(jìn)行模型的邊界條件設(shè)置及各物質(zhì)物性參數(shù)設(shè)置。熱流體入口:給出入口邊界上的速度,設(shè)置輸入量包括進(jìn)口流速和靜溫,熱流體進(jìn)口速度為0.2m/s,進(jìn)口溫度為348K。自由出流:對(duì)于出流邊界上的壓力和速度均為未知的情形,選擇自由出流邊界。熱媒體與蓄熱體的換熱面為耦合邊界。石蠟及復(fù)合相變材料的物性參數(shù)見(jiàn)表1,其設(shè)置在FLUENT中的材料面板進(jìn)行。設(shè)置好所有參數(shù)后,就可以用FLUENT求解器對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解。在迭代的過(guò)程中,可隨時(shí)查看設(shè)置的各個(gè)監(jiān)視器,迭代計(jì)算完成后,可通過(guò)FLUENT后處理查看結(jié)果。5膨脹石墨在不同溫度下的流變特性監(jiān)測(cè)點(diǎn)處位于整體蓄熱器中心處PCM處,圖3是熔化過(guò)程中該點(diǎn)PCM區(qū)平均溫度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn),圖4為該點(diǎn)PCM區(qū)平均液相率隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。由這兩個(gè)圖可以看到整個(gè)過(guò)程的溫度和液相率變化趨勢(shì)。從圖3可知,過(guò)程開(kāi)始階段,PCM區(qū)均為固態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程,溫度不斷升高,且上升速率較快,液相率為零。由圖4可知,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的固態(tài)導(dǎo)熱PCM開(kāi)始熔化,PCM區(qū)域的溫度基本保持在熔點(diǎn)溫度附近不變,待整個(gè)相變材料區(qū)域全部融化,即整個(gè)PCM區(qū)域的液相率達(dá)到1.0,之后溫度又開(kāi)始升高,但是溫度上升的速度卻比融化前慢,因?yàn)镻CM完全變?yōu)橐后w后導(dǎo)熱系數(shù)變小,最后整個(gè)區(qū)域的溫度與外界熱空氣同溫,達(dá)到熱平衡。為分析熔化相變過(guò)程中不同時(shí)刻蓄熱器中不同位置的溫度分布,分別截取了x=0mm,x=93mm,x=186mm,x=28mm4個(gè)平行平面,即蓄熱器四排換熱管的中心面。由于篇幅所限,本文只分析x=186mm平面的溫度場(chǎng)的變化過(guò)程,圖5為蓄熱器內(nèi)所截取的x=186mm平面內(nèi)溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的過(guò)程。為進(jìn)行說(shuō)明,選取了t=8000s和t=15000s兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)。t=8000s時(shí),整個(gè)蓄熱器內(nèi)的相變材料已熔化了30%,即整個(gè)PCM區(qū)的液相率達(dá)到了0.3,t=15000s時(shí),相變材料區(qū)的液相率為0.6左右。由圖5可見(jiàn),開(kāi)始階段,等溫線(xiàn)沿著管壁分布,這是因?yàn)槭灲咏邷氐臒崃黧w外管壁,鄰近的部分達(dá)到熔化溫度,并開(kāi)始熔化,隨著時(shí)間延長(zhǎng),等溫線(xiàn)開(kāi)始逐漸向管壁外面擴(kuò)散。隨著石蠟熔化的越來(lái)越多,筒體內(nèi)各點(diǎn)的溫度差逐漸減小,筒體內(nèi)的溫度場(chǎng)趨于均勻,溫度與加熱壁面的溫度接近。由于蓄熱器內(nèi)管子的排列方式以及進(jìn)出口的分布和流體水的流動(dòng)特點(diǎn),位于中間兩排的管子內(nèi)水流速度較小,其周?chē)灥娜刍^慢且不均勻。圖6為純石蠟熔化過(guò)程液相率分布,等液相率線(xiàn)的變化和等溫線(xiàn)的變化相似,隨著時(shí)間推移,沿著管壁的等液相率線(xiàn)開(kāi)始逐漸向管壁周?chē)鷶U(kuò)散,PCM相變區(qū)域擴(kuò)大了,傳熱更迅速。隨著液相石蠟的增多,對(duì)流替代熱傳導(dǎo),成為主要傳導(dǎo)方式。加熱初期,靠近加熱壁面的石蠟先熔化,此時(shí)的液相區(qū)域很小。隨時(shí)間延長(zhǎng),液相區(qū)域逐漸變大,直至最后石蠟完全熔化,液相區(qū)域會(huì)充滿(mǎn)整個(gè)相變區(qū)域。由溫度曲線(xiàn)圖和云圖可以看出,由于純石蠟自身的導(dǎo)熱系數(shù)較低,導(dǎo)致其熔化和凝固過(guò)程都非常緩慢,相變所需時(shí)間很長(zhǎng),這在很大程度上降低了蓄熱系統(tǒng)的效率,因此需要采取強(qiáng)化措施來(lái)提高換熱效率。本研究通過(guò)添加10%膨脹石墨形成復(fù)合相變材料來(lái)提高石蠟基相變材料的導(dǎo)熱性能,以減小石蠟內(nèi)的導(dǎo)熱熱阻,雖然膨脹石墨的加入會(huì)在一定程度上降低石蠟相變材料的相變潛熱,但影響并不大,而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的熱效率提高卻起到了明顯作用。模擬計(jì)算時(shí)加入膨脹石墨后的物性參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[4,8~11],圖7是加入膨脹石墨后熔化過(guò)程中PCM區(qū)平均溫度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn),圖8為PCM區(qū)平均液相率隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。與圖3和4相比,整個(gè)過(guò)程的溫度和液相率變化趨勢(shì)大體相似。但曲線(xiàn)在每一階段的斜率卻不同,也就是說(shuō)石蠟在加入膨脹石墨后每階段的傳熱速率與原來(lái)不同不同的,從圖中可以看出有了明顯上升。圖9為加入膨脹石墨后蓄熱器內(nèi)溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的情況,為與沒(méi)加膨脹石墨前進(jìn)行對(duì)比,選取了t=4000s和t=7000s2個(gè)時(shí)刻點(diǎn),此時(shí)蓄熱器內(nèi)整個(gè)相變材料區(qū)域的液相率也為0.3和0.6左右。從這些圖中可以看出:蓄熱器內(nèi)相變材料達(dá)到同一液相率,加入石墨后所用熔化時(shí)間為加入前所用時(shí)間的50%,可見(jiàn)石墨對(duì)石蠟的傳熱提高有很大作用,是一種有效的強(qiáng)化傳熱措施。對(duì)比圖5的溫度分布可知,由于純石蠟的熱導(dǎo)率低,導(dǎo)致石蠟溫度分布不均勻,靠近換熱管的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于靠近箱體內(nèi)壁的溫度。加入膨脹石墨后,石蠟在整個(gè)蓄熱器內(nèi)溫差都有縮小,并且這種溫差縮小的趨勢(shì)一致保持到了最后,這是因?yàn)榕蛎浭募尤氪蟠筇岣吡斯虘B(tài)和液態(tài)石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)。加入膨脹石墨后,石蠟的熔化順序依然是靠近換熱管壁的最先熔化,遠(yuǎn)離換熱管壁的最后熔化,但是這種趨勢(shì)不如加石墨前明顯。在熔化快要結(jié)束時(shí),溫度又開(kāi)始上升,但上升的速度沒(méi)有熔化前快,說(shuō)明膨脹石墨對(duì)石蠟的固態(tài)和液態(tài)傳熱都有提高作用,但固態(tài)石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)仍然大于液態(tài)石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)。圖10為加熱溫度為348K時(shí)蓄熱器內(nèi)各面液相率隨時(shí)間變化的情況。與圖6對(duì)比可發(fā)現(xiàn),等液相率線(xiàn)的變化和等溫線(xiàn)的變化相似,加入膨脹石墨后石蠟的熔化依然受到熱媒體水流動(dòng)的情況的影響,在中間兩排管子周?chē)娜刍闆r較慢,在第1排管子和第4排管子周?chē)刍羁?尤其在第1排處溫差最大。加熱初期,靠近加熱壁面的石蠟先熔化,此時(shí)的液相區(qū)域很小。隨時(shí)間延長(zhǎng),沿著管壁的等液相率線(xiàn)開(kāi)始逐漸向管壁周?chē)鷶U(kuò)散,液相區(qū)域逐漸變大,直至最后石蠟完全熔化,液相區(qū)域會(huì)充滿(mǎn)整個(gè)蓄熱器。6石蠟/膨脹石墨復(fù)合材料的溫度場(chǎng)本文建立了多排管相變蓄熱器的數(shù)學(xué)模型和物理模型,通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果分析了多排管蓄熱器內(nèi)填充純石蠟及石蠟/膨脹石墨復(fù)合材料時(shí)蓄熱過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布情況。模擬結(jié)果表明多排管結(jié)構(gòu)和膨脹石墨的添加大大縮短了蓄熱器的蓄熱時(shí)間,蓄熱器內(nèi)相變材料達(dá)到同一液相率,加入石墨后所用熔化時(shí)間僅為加入前所用時(shí)間的5