基于水管的相變材料凝固過(guò)程實(shí)驗(yàn)研究

基于水管的相變材料凝固過(guò)程實(shí)驗(yàn)研究

中國(guó)制定的能源政策是“注重發(fā)展和節(jié)能”。要有效利用新能源，克服能量密度小、間歇性低的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)化為集中能源已成為一個(gè)難題。另一方面，我國(guó)傳統(tǒng)能源利用率僅為30%左右。有必要大力發(fā)展以節(jié)能為中心的變革和結(jié)構(gòu)改革。有效的方法之一是殘余熱交換的保存和使用。儲(chǔ)熱裝置采用儲(chǔ)熱裝置（pcm：ph值改變物理）的固態(tài)變換過(guò)程，以完成能量的儲(chǔ)存和釋放。它的優(yōu)點(diǎn)是體積小、蓄熱密度高、加熱和回?zé)?，并且具有良好的開(kāi)發(fā)前景。相變材料在其固態(tài)時(shí)無(wú)法用泵輸送,蓄熱器兼作換熱器,故選取最佳的換熱結(jié)構(gòu)是蓄熱器高效運(yùn)行的關(guān)鍵.作為相變材料的三水醋酸鈉,蓄熱密度大,熱穩(wěn)定性好,與管壁相容性好,相變溫度適合中、低溫蓄熱;但導(dǎo)熱系數(shù)小,熱量的充、放速度因此下降,所以,有必要尋求有效的強(qiáng)化手段,提出合理的換熱結(jié)構(gòu).為了使放熱實(shí)驗(yàn)更好地滿足工程需要,本文根據(jù)傳熱分析,模擬工程應(yīng)用的條件,并依據(jù)一定假設(shè)條件,最后歸納出影響蓄熱量的三個(gè)外部參數(shù):傳熱工質(zhì)進(jìn)口溫度、進(jìn)出口速度及放熱時(shí)間.分別考察了這些參數(shù)對(duì)放熱性能的影響,并逐個(gè)進(jìn)行了分析.1同一水平面積不同多管排學(xué)生的換熱系數(shù)蓄熱器的換熱結(jié)構(gòu)既要有利于充熱,又要有益于放熱.西安交通大學(xué)提出用縱向雙肋片管可以強(qiáng)化熔化過(guò)程,特別對(duì)凝固過(guò)程的傳熱強(qiáng)化有顯著效果.Ramsey研究了同一水平面上排列的多管排熔化過(guò)程,發(fā)現(xiàn)就整個(gè)過(guò)程而言,單管與多管排的換熱系數(shù)可近似認(rèn)為相等;對(duì)不在同一水平面的管排熔化過(guò)程,Bathelt通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),管距較大時(shí)(管間距=1.5倍管徑),溶化形狀沿豎直方向發(fā)展.由此,本文采用三排蛇形管按水平面?zhèn)鳠崦娣e相等成豎直排列(管間距>1.5管徑),矩形雙肋片縱向布置在每根光管的水平方向.整套換熱設(shè)備固定在一圓柱形容器中,相變材料填入容器中,使其在各個(gè)水平面上相變材料受熱均勻.詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)文獻(xiàn).2維傳熱的機(jī)理蓄熱器的放熱過(guò)程是一個(gè)液固兩態(tài)相互轉(zhuǎn)化引起固液界面移動(dòng)的不穩(wěn)定導(dǎo)熱和自然對(duì)流傳熱傳質(zhì)過(guò)程,對(duì)蓄熱單元的放熱過(guò)程分析可知,放熱過(guò)程是一個(gè)由冷工質(zhì)與管壁的對(duì)流換熱、冷卻面與固態(tài)相變材料間的導(dǎo)熱、固態(tài)相變材料中的導(dǎo)熱、以及固液界面與液態(tài)相變材料的自然對(duì)流和導(dǎo)熱等多個(gè)環(huán)節(jié)組成的移動(dòng)界面的不穩(wěn)定傳熱過(guò)程.假設(shè)條件:(1)由于每根管的傳熱均勻,容器的保溫效果好,可假定兩管之間的虛擬中心面及容器壁面(即圓管兩端面)是絕熱面,整個(gè)控制域?yàn)榻^熱邊界.(2)自然對(duì)流傳熱方向只沿徑向和軸向,與周向無(wú)關(guān),是一個(gè)二維傳熱問(wèn)題.(3)傳熱流體是牛頓不可壓縮流體,整個(gè)流動(dòng)狀態(tài)呈層流分布,流動(dòng)過(guò)程無(wú)粘性耗散.(4)肋片的熱效應(yīng)等效于相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的提高,肋片的換熱效果通過(guò)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的提高來(lái)考慮.(5)傳熱流體呈二維流動(dòng).由于蛇管式相變蓄熱器的放熱機(jī)理復(fù)雜,很難進(jìn)行仿真模擬,也不能進(jìn)行精確的溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算,只能從分析傳熱流體的連續(xù)性方程,運(yùn)行方程和能量方程,以及相變材料的能量方程和圓壁處的能量方程中可知:T=f(τ?R?X?Ref?Prf?αlαf?αwαf?St,Cl?Cs?δT??Ksl?KpKω?KfKω?rωD?r0D?LD)Τ=f(τ?R?X?Ref?Ρrf?αlαf?αwαf?St,Cl?Cs?δΤ*?Κsl?ΚpΚω?ΚfΚω?rωD?r0D?LD).式中,τ:時(shí)間,D:換熱管內(nèi)徑(=2R),Ref:雷諾數(shù)(=U0νD)?U0(=U0νD)?U0:流體軸向進(jìn)口速度,ν:流體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù),Prf:普朗特?cái)?shù),Vf:流體流量,L:圓管長(zhǎng)度,X:PCM沿軸向的相變距離,αl:相變材料液態(tài)熱擴(kuò)散系數(shù),αf:工質(zhì)熱擴(kuò)散系數(shù),αw相變材料固態(tài)熱擴(kuò)散系數(shù),St:Ste數(shù),Cs,Cl:相變材料的固、液態(tài)比熱,Ks,Kl:相變材料的固、液態(tài)導(dǎo)熱系數(shù),Kw,Kp,Kf分別表示管壁、PCM、工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),δT*:相變溫度波動(dòng)范圍,rw相變材料的半徑,r0:換熱管的半徑.如進(jìn)一步假設(shè)在整個(gè)相變過(guò)程中,傳熱流體、相變材料的熱物理參數(shù)變化忽略不計(jì)(在溫度變化范圍不大時(shí)能滿足工程所需精度),則T=(τ,R,D,rw,r0,U0,Tin).對(duì)一定結(jié)構(gòu)尺寸的蓄熱器而言,溫度場(chǎng)分布只與τ、U0、Tin三個(gè)參數(shù)有關(guān),由溫度決定的蓄熱量也隨這三個(gè)參數(shù)的變化而改變,Tin表示工質(zhì)進(jìn)口溫度.3熱性能實(shí)驗(yàn)與討論詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)文獻(xiàn),在原充熱實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,將傳熱流體換成冷流體,進(jìn)行放熱實(shí)驗(yàn).3.1pcm的顯熱放熱階段下封壓從圖1中可以看出,曲線整體變化趨勢(shì)分為三個(gè)階段,第一階段,曲線呈迅速下降趨勢(shì),這是液態(tài)PCM的顯熱釋放階段.放熱剛開(kāi)始,冷流體與PCM間溫差大,傳熱快,溫度迅速下降;隨后下降趨勢(shì)減緩,當(dāng)肋管t=7min,光管t=10min時(shí),PCM開(kāi)始凝固,進(jìn)入第二階段即潛熱放熱階段,溫度保持不變,受凝固層導(dǎo)熱和固液界面處的自然對(duì)流效應(yīng)兩種機(jī)制控制,隨著凝固層的增厚,導(dǎo)熱熱阻增大,相應(yīng)地,自然對(duì)流因作用面增大而相對(duì)增大,當(dāng)兩種機(jī)制下的換熱量達(dá)到平衡時(shí),凝固過(guò)程結(jié)束;第三階段,固態(tài)PCM的顯熱放熱階段,溫度再次下降,并因溫差減小曲線趨于平緩.對(duì)比光管和肋管兩種情況,在第一階段,肋片強(qiáng)化了導(dǎo)熱,故Tm下降更快,曲線1較陡;在凝固過(guò)程中,肋片增強(qiáng)了凝固層的導(dǎo)熱能力,使得導(dǎo)致凝固終止的導(dǎo)熱量與自然對(duì)流換熱量的平衡向后延遲,凝固進(jìn)行得更充分,持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)(肋管t=23min,光管t=10min);而后在第三階段的固態(tài)顯熱釋放過(guò)程中,肋片同樣起到強(qiáng)化作用,溫度變化曲線較之光管更陡.3.2加熱速度規(guī)律3.2.1不同凝固層xd歷史特性圖2(a)、(b)分別表示光管、肋管在流體進(jìn)口溫度保持一致,流量改變,蓄熱量隨時(shí)間的變化規(guī)律:大流量對(duì)應(yīng)的曲線1斜率大于曲線2,即流量Vf大,放熱速率快;在同一時(shí)刻,對(duì)應(yīng)的Qmd也大.上述變化表明:Vf增大,增強(qiáng)了熱流體與管壁之間換熱系數(shù),壁溫下降增快,有利于管壁與PCM間導(dǎo)熱傳熱.由曲線上看,特別是在放熱后期二者差異更為明顯,這是因?yàn)樵谠缙?PCM與冷流體間溫差不大,PCM的導(dǎo)熱量大,二者放熱速率相差不大,到了后期,隨著凝固層的增厚,自然對(duì)流換熱量不斷增大,Vf變小,管壁與PCM間溫差變小,導(dǎo)熱量相應(yīng)變小,與自然對(duì)流換熱量抗衡的能力也變小,凝固過(guò)程較早中止,放熱量變化趨于平坦.3.2.2熱速率的影響實(shí)驗(yàn)測(cè)得的放熱量隨時(shí)間變化規(guī)律曲線如圖3(a)、(b)所示,進(jìn)口水溫越高,傳熱溫差越小,放熱速率越慢,兩條曲線之間的間距也隨時(shí)間的增大而增大,也是由于導(dǎo)熱能力在Ti大時(shí)變小,而隨著凝固層的增厚,導(dǎo)熱能力再一步削減,推動(dòng)凝固進(jìn)行的力量減弱,放熱速率減慢,兩條曲線的差異也就逐漸拉開(kāi);再者,Ti小時(shí),放熱過(guò)程的后期仍能保持一定的換熱溫度,存在一定的顯熱放熱量.3.2.3如果流量相同，輸入溫度相同，光管和沿海管的發(fā)熱性能將比較由圖4看,肋管的放熱速率比光管快,在放熱的三個(gè)階段中,肋片增強(qiáng)了導(dǎo)熱性,增強(qiáng)了抵抗自然對(duì)流的力量,從而使凝固過(guò)程進(jìn)行得更加完善.3.3加熱性能的相關(guān)性3.3.1無(wú)因次時(shí)間及熱量Rayleigh數(shù):Ref=U0D/ν;無(wú)因次溫度:T(j)=Tm(j)?Tw(j)Tm(1)?TinΤ(j)=Τm(j)-Τw(j)Τm(1)-Τin;無(wú)因次時(shí)間∶τ(j)=F0?Ste=λm[Tm(j)?Tw(j)]ρr2L?t(j)；無(wú)因次時(shí)間∶τ(j)=F0?Ste=λm[Τm(j)-Τw(j)]ρr2L?t(j)；無(wú)因次熱量:Q=QmdQLQ=QmdQL;式中,T(j):無(wú)因次溫度,Tw(j):換熱管壁溫,Tm:相變材料平均溫度,τ(j):無(wú)因次時(shí)間,λm:相變材料導(dǎo)熱系數(shù),Qmd:總放熱量,QL:相變材料的潛熱放熱量,Q:無(wú)因次放熱量,L:相變材料的潛熱.3.3.2對(duì)蓄熱器放熱性能的影響通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到:Q=0.2791×10-8Ref1.6495Pr0.2820T-0.7390τ0.7487.這一關(guān)系式綜合了影響蓄熱器放熱性能的外部各參數(shù),滿足工程應(yīng)用精度,可作為進(jìn)一步工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的依據(jù).4熱分析及結(jié)果(1)本文根據(jù)前人研究的結(jié)果首次提出圓柱形相變蓄熱器的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)較好地滿足了蓄熱與熱交換兩大需要.(2)對(duì)所提出的蓄熱器結(jié)