相變蓄熱球堆積床熱性能分析

相變蓄熱球堆積床熱性能分析

能源儲存技術(shù)是提高能源使用效率和環(huán)境保護(hù)的重要技術(shù)。采用能源儲存技術(shù)可以調(diào)整能量的需求，在電網(wǎng)上實現(xiàn)能耗的峰值，平衡能量系統(tǒng)，降低能耗，節(jié)約運(yùn)行成本，提高能源效率。以固相變質(zhì)量為例，這種儲存技術(shù)使用多余的熱量。利用多余的熱量使存儲材料形成固相變，熱量主要以融化潛在熱的形式儲存。在熱容量中，為了實現(xiàn)某些儲存材料的固體行為，必須使用熱量。為了實現(xiàn)固體變量，必須將儲存材料稀釋為室溫變化形狀。利用可變潛熱儲存材料，通常稱為突變材料（pcm）。例如，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)的冷卻能力儲存時，由于冷量儲存和儲存時，儲熱材料的轉(zhuǎn)化方向正好相反。由于材料轉(zhuǎn)化時溫度幾乎沒有變化，而且轉(zhuǎn)化后的蓄熱非常大，因此蓄熱密度高，蓄熱設(shè)備的尺寸和質(zhì)量小。此外，材料轉(zhuǎn)化后的吸收和釋放效率也很高，因此整體蓄熱系統(tǒng)具有高效率。因此，近年來，這種蓄熱方法引起了國際的關(guān)注，成為研究熱點。目前常見蓄熱槽結(jié)構(gòu)方式有板狀、管狀、柱狀、球狀等.本文計算所采用蓄熱器計算模型為圓筒型蓄熱器,蓄熱器壁面絕熱,器內(nèi)填充了多層球形蓄熱體.蓄熱體為填充了相變材料的微小(毫米級)球狀物體,共90層,它們緊密堆積在一起形成了堆積床.從太陽能集熱器產(chǎn)生的熱媒水進(jìn)入水箱,熱媒水通過循環(huán)泵在蓄熱器中循環(huán),使蓄熱器中的蓄熱小球開始蓄熱(放熱),當(dāng)熱媒水溫度高于相變材料時,把熱量傳遞給相變材料(PCM),儲存起來備用;反之,由相變材料(PCM)加熱熱媒水,之后熱媒水再回到蓄熱水箱、通過地板采暖給房間供暖或提供生活熱水.當(dāng)蓄熱器中PCM的溫度達(dá)到熱媒水進(jìn)口溫度時,蓄熱(放熱)過程結(jié)束.1球內(nèi)相變時的分析在蓄熱球的蓄放熱過程中,熱媒水與蓄熱球進(jìn)行熱量交換,使蓄熱球內(nèi)的相變材料在一定溫差下發(fā)生相變.傳熱過程由球外壁向球內(nèi)進(jìn)行,相變也由壁而向球內(nèi)逐層深入,直到整個球內(nèi)完全發(fā)生相變.為分析問題方便,在建立蓄熱球傳熱模型前,做如下假設(shè):1)相變介質(zhì)中熱量的傳遞以導(dǎo)熱為主,忽略自然對流的影響;2)相變溫度恒定,蓄熱體之間的相互影響不考慮;3)相變介質(zhì)固液兩相的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度均為常數(shù),不隨溫度變化;4)流體區(qū)域的傳熱為一維對流擴(kuò)散問題,且與蓄熱器外環(huán)境無熱量傳遞;5)PCM與熱媒體之間的對流換熱系數(shù)在蓄熱器內(nèi)區(qū)域恒定.以上假設(shè)使描述蓄熱容器蓄放熱過程的數(shù)學(xué)模型大為簡化,同時為采用一維模型提供了充分的保證.1.1對流系數(shù)ro球狀蓄熱體由于幾何尺度非常小,采用一維球體導(dǎo)熱微分方程ρΡ?cΡ??ΤΡ?t=λΡ1r2???r(r2??ΤΡ?r).(1)ρP?cP??TP?t=λP1r2???r(r2??TP?r).(1)此處,下標(biāo)P表示蓄熱體顆粒,ρ表示密度(kg/m3),c表示比熱容,λ表示導(dǎo)熱系數(shù).采用焓法求解相變問題,相應(yīng)的比焓方程形式為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).比焓與溫度的關(guān)系式H=f(T)為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表示蓄熱體材料的相變溫度(℃),下標(biāo)s表示固相參數(shù),下標(biāo)l表示液相參數(shù),H*s表示固相飽和比焓(J/kg),H*t表示液相飽和比焓(J/kg),cs表示固相比熱容,cl表示液相比熱容,ε是為方便計算而取的微小的相變溫度區(qū)間.對流換熱系數(shù)h可以從下式計算,該式針對流體滿足在任意形式排列的球體間流動的情況.Nu=3.22Re1/3Pr1/3+0.117Re0.8Pr0.8.(4)雷諾數(shù)Re可以從關(guān)系式Re=ρud/μ獲得,其中d是球體的直徑,u是床層中的平均流動速率.Pr為普朗特數(shù),μ為流體的動力度.對流換熱系數(shù)可以由努塞爾準(zhǔn)數(shù)決定h=kfΝudh=kfNud,(5)其中kf是流體的導(dǎo)熱系數(shù).1.2太陽能蓄熱特性本模擬計算采用的相變蓄熱材料為二十烷(C20H42),在常溫下,其特點是相變潛熱大、無毒、無腐蝕性,在500℃以下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,熔化時體積變化率小以及沒有明顯的過冷現(xiàn)象,適用于太陽能蓄熱,其物性參數(shù)、初始參數(shù)見圖1.1.3性能曲線圖的繪制將上述微分方程離散化得到線性代數(shù)方程,用TDMA方法求解比焓方程.本模擬程序采用CAD中VisualBasic編輯器實現(xiàn).窗體如圖1所示,通過查資料獲取二十烷的各物性參數(shù),再確定要模擬的工況及相變材料蓄熱體的半徑和分層數(shù);將所有以上參數(shù)分別填入對應(yīng)框內(nèi),選擇“必選框”內(nèi)某一項以便確定要繪制的性能曲線圖;最后點擊“確定”等待最后輸出“蓄熱時間”,性能曲線繪制在CAD中.通過改變“要研究的層(點)”和“要研究的時刻(分鐘)”實現(xiàn)繪制其他狀態(tài)條件下的性能曲線.蓄熱過程開始時蓄熱球初始溫度為30℃,熱媒體的溫度保持40℃不變.2結(jié)論分析2.1相變導(dǎo)熱過程圖2為同一層(取第75層)各時刻蓄熱性能曲線圖,由圖可見隨著傳熱過程的深入,相變球逐漸吸收熱媒體的熱量,溫度開始上升,經(jīng)歷蓄存顯熱的純導(dǎo)熱過程,而后溫度逐漸升高到相變溫度區(qū)間的下限36.9℃;之后進(jìn)入蓄存相變潛熱的相變導(dǎo)熱過程,蓄熱球開始發(fā)生相變,PCM開始熔化,溫度緩慢上升,最終達(dá)到相變溫度區(qū)間的上限37.5℃,這一過程持續(xù)了較長時間,所以溫度曲線接近一條水平線;當(dāng)蓄熱球的中心點溫度達(dá)到37.5℃時標(biāo)志著整個蓄熱體蓄存相變潛熱的完畢,之后進(jìn)入完全的純導(dǎo)熱過程,這個過程很快,因此有一個溫度突然躍升的現(xiàn)象;最后當(dāng)中心點的溫度到達(dá)預(yù)定溫度40℃,標(biāo)志著整個蓄熱過程的結(jié)束.圖3為同一時刻(取第10min)各層蓄熱性能曲線圖.由圖可見,由于熱媒體的溫度高于蓄熱球的相變溫度,蓄熱球在持續(xù)吸收熱媒體的熱量,由于蓄熱球的位置不同,所吸收的熱量也不同,蓄熱球各層的溫度逐漸增加,下層的溫度高于上層的溫度.2.2相變溫度條件下顯熱釋放階段圖4為同一層(取第75層)各時刻放熱性能曲線圖,放熱過程開始時蓄熱球初始溫度為40℃,冷媒水的溫度為30℃,此時蓄熱球?qū)崃總鬟f給冷媒水,放熱過程中,在開始的一段時間內(nèi)PCM小球的溫度下降很快,這是PCM釋放顯熱的階段,當(dāng)溫度一直下降到PCM的相變溫度范圍附近后,達(dá)到PCM的潛熱釋放階段.溫度在相變溫度區(qū)間內(nèi)緩慢降低,接近一條水平線,直到達(dá)到相變溫度區(qū)間的下限36.9℃;然后迅速釋放剩余的顯熱,溫度突降;最終蓄熱體釋放完全部剩余的顯熱,溫度達(dá)到設(shè)定溫度30℃,放熱過程結(jié)束.圖5為同一時刻(取第6min)各層放熱性能曲線圖,冷媒水進(jìn)入蓄熱器后,首先吸收第1層的PCM小球所釋放的熱量,然后逐漸向上移動,同時,由于冷媒水吸收了PCM的熱量而使溫度上升,當(dāng)它繼續(xù)向上流動時,HTF與PCM之間的溫差減小,造成各層PCM的放熱速率不一致,使每層蓄熱球的溫度不同.這樣就能夠保證通過地板采暖給房間供暖或提供生活熱水所需要的溫度.4蓄熱體及其熱回收利用技術(shù)曲線1)建立了一維蓄熱球相變蓄放熱模型方程,并對其進(jìn)行了離散求解.2)實現(xiàn)了蓄