用于儲(chǔ)存太陽能的相變蓄熱過程的數(shù)值模擬

用于儲(chǔ)存太陽能的相變蓄熱過程的數(shù)值模擬

0相變蓄熱裝置由于能源消耗率低，建筑物的熱量需求不一致，因此加熱儲(chǔ)存裝置是直接供能系統(tǒng)不可或缺的一部分。采用蓄熱裝置來協(xié)調(diào)時(shí)間和強(qiáng)度上的熱能供求是經(jīng)濟(jì)和可行的方法。為了提高相變蓄熱裝置的蓄熱性能,很多學(xué)者都對(duì)相變材料的強(qiáng)化傳熱進(jìn)行了大量研究,通常采用在相變材料中加入高孔隙率的多孔介質(zhì)、安裝金屬結(jié)構(gòu)、分散高導(dǎo)熱顆粒及添加具有高導(dǎo)熱、低密度的填充材料等方法來提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù),進(jìn)而提高蓄、放熱速率,來強(qiáng)化蓄熱裝置的蓄熱性能~。李新國對(duì)圓管外石蠟的相變蓄熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得出了同心套管相變蓄熱器的蓄熱規(guī)律。以往對(duì)套管式相變蓄熱器的研究中,研究對(duì)象多為同心套管式蓄熱器。在數(shù)值模擬中,為了減少網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算量,通常將其簡(jiǎn)化為2D模型,并關(guān)閉內(nèi)管流體的湍流項(xiàng),有關(guān)多管排列套管式相變蓄熱器的研究較為少見。本文對(duì)蓄熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),開發(fā)了一種相變蓄熱材料與熱水換熱的多管排列套管式相變蓄熱裝置,并建立了其3D模型。采用添加膨脹石墨后的石蠟作為相變材料,并在考慮自然對(duì)流、內(nèi)管流體湍流以及3D模擬的情況下,對(duì)該裝置和同心套管兩種套管式相變蓄熱器的蓄熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并分析對(duì)比了模擬結(jié)果,為今后套管式相變蓄熱器在太陽能工程中應(yīng)用提供參考依據(jù)。1模型的構(gòu)建1.1不銹鋼內(nèi)管系統(tǒng)同心套管模型的建立及求解過程與多管排列模型基本一致,這里只給出多管排列模型相關(guān)參數(shù)。圖1所示為相變蓄熱裝置示意圖。裝置外部是一個(gè)高H為313mm,直徑D為126mm的不銹鋼環(huán)形圓筒;內(nèi)部為沿中心對(duì)稱分布4根直徑d為13mm的內(nèi)管,4根內(nèi)管的縱橫間距L為31mm。內(nèi)管中的傳熱流體為水,內(nèi)管和殼體之間封裝著相變材料。傳熱流體沿內(nèi)管從下部流入、從頂部流出。傳熱流體與內(nèi)管管壁換熱,內(nèi)管管壁再與相變材料換熱,相變材料通過相變蓄熱或放熱。為了防止整個(gè)筒體熱量的散失,筒體外壁需包裹絕熱材料。該裝置所用相變材料為石蠟,并添加膨脹石墨強(qiáng)化其導(dǎo)熱能力。相變材料中添加10%膨脹石墨的物性參數(shù)如表1所示。1.2流體密度方程采用Fluent軟件對(duì)蓄熱裝置的蓄放熱過程進(jìn)行模擬,數(shù)值計(jì)算中采用以下基本假設(shè):(1)石蠟純凈、各向同性;(2)蓄熱器模型忽略內(nèi)管的壁厚,不考慮銅管直接和熱流體、石蠟間的傳熱;(3)相變材料液態(tài)、固態(tài)時(shí)的熱物性不同;(4)忽略外筒壁厚和外壁面的熱量損失;(5)滿足Boussinesq假設(shè),只在浮升力項(xiàng)中考慮流體密度的變化;(6)相變材料中,液相區(qū)域中的流體為不可壓縮牛頓流體;(7)考慮自然對(duì)流的影響,自然對(duì)流為層流。Fluent的凝固/熔化模型是以焓為待求變量,其相變區(qū)能量方程形式為其中:H=h+ΔH式中:H為任意時(shí)刻的比焓,kJ/kg;href為基準(zhǔn)焓(初始焓值),kJ/kg;h為顯熱焓,kJ/kg;ΔH為相變潛熱項(xiàng),kJ/kg;Tref為基準(zhǔn)溫度(初始溫度),K;L為相變材料相變潛熱,kJ/kg;Cp為定壓比熱,kJ/(kg·K);ρ為密度,kg/m3;λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);T為蓄熱體任意時(shí)刻溫度,K;t為時(shí)間,s;β為液相率,即液相物質(zhì)所占整個(gè)控制容積的體積比,通常用溫度表示:其中:Tl為材料的液相線;Ts為材料的固相線。此外,動(dòng)量方程中源項(xiàng)為其中:ε為常數(shù),通常ε取值為104~107;ν為速度;νp為牽連速度;Amush為糊狀區(qū)的連續(xù)數(shù)。2建立網(wǎng)格劃分本文采用Fluent的前處理軟件Gambit進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分,然后導(dǎo)入Fluent,選擇求解模型,設(shè)置邊界條件和初始化條件,設(shè)置迭代和控制參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。2.1內(nèi)管流體的求解選用Solidification&Melting模型,內(nèi)管流體區(qū)開啟湍流模型,相變區(qū)則不考慮湍流的影響,采用非穩(wěn)態(tài)、隱式、分離求解器進(jìn)行求解。為了更快地得到收斂的解,采用SIMPLEC算法,并適當(dāng)降低松弛因子。2.2蓄熱裝置出流邊界速度入口(velocity-inlet):給出入口邊界上的速度。設(shè)置熱流體流速為0.4m/s,初始溫度為343K。自由出流(outflow):出流邊界上壓力和速度均為未知,選擇自由出流邊界。蓄熱裝置外壁邊界條件為壁面邊界條件(wall),壁厚為0mm,絕熱。相變材料區(qū)和內(nèi)層筒壁之間的交界面為耦合界面(coupled),壁厚為0mm。2.3蓄熱過程監(jiān)視功能沒有熱量輸入或輸出的時(shí)候,蓄熱器的初始溫度為環(huán)境溫度(300K):其中:T為蓄熱體區(qū)域的溫度,K;T0為環(huán)境溫度,K。此外,為了得到蓄熱器蓄放熱過程中溫度以及液相率等參數(shù),迭代前須設(shè)置監(jiān)視器。本文設(shè)置了相變區(qū)的溫度和液相率監(jiān)視器來監(jiān)測(cè)整個(gè)熔化過程。3多管排列模型圖2為不同時(shí)刻兩種套管模型中相變材料固液分界面處的等溫線圖。從圖2可以清晰地看出,3600s時(shí),同心套管模型中只有內(nèi)管壁面處的溫度較高,絕大部分石蠟的溫度僅為313K左右;在多管排列模型中,石蠟的溫度均已高于318K。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),多管排列模型中,液態(tài)石蠟較多且擾動(dòng)較大。由此可見,多管排列的換熱強(qiáng)度更大,且在內(nèi)管之間產(chǎn)生了擾動(dòng)?？梢酝茰y(cè),在多管排列模型中,內(nèi)管壁之間已經(jīng)產(chǎn)生以液態(tài)石蠟為介質(zhì)的對(duì)流。此外,由于同心套管中絕大部分的石蠟還處于固態(tài),故其傳熱方式尚在熱傳導(dǎo)階段;在多管模型中,除熱傳導(dǎo)外,還存在強(qiáng)度較低的熱對(duì)流。當(dāng)熔化時(shí)間為7200s時(shí),雖然兩種模型中的相變材料溫度均已高于熔點(diǎn)327K,但可以明顯看出,多管排列模型中,四根內(nèi)管間的相變材料溫度高于331K,流體層的區(qū)域明顯擴(kuò)大,對(duì)流強(qiáng)度也有較大增強(qiáng),而同心套管模型僅在內(nèi)管外層形成較薄的流體層,存在強(qiáng)度較低的熱對(duì)流?？梢钥闯?多管模型的傳熱能力強(qiáng)于同心套管模型。這主要是由于多管排列模型可以增大傳熱面積,起到增強(qiáng)對(duì)流的作用。隨著相變材料熔化過程的進(jìn)行,兩種模型的傳熱方式逐漸都由熱傳導(dǎo)變?yōu)閷?duì)流傳熱。到了10800s時(shí),多管排列模型已經(jīng)基本完成了蓄熱過程,相變材料溫度均在341K以上;而在同心套管模型中,相當(dāng)一部分的石蠟尚未熔化完成,且對(duì)流強(qiáng)度仍舊處于較低水平,其蓄熱過程還在繼續(xù)?？梢赃M(jìn)一步看出,多管模型的蓄熱能力強(qiáng)于同心套管模型。如圖3所示,為多管排列模型和同心套管模型中相變材料的液相率曲線。由圖3可知,兩種模型的液相率總體變化趨勢(shì)是一致的,但是兩者的增長(zhǎng)速率有所不同。在熔化過程初期,多管排列模型的液相率增長(zhǎng)明顯快于同心套管。這是因?yàn)槎喙芘帕心Ｐ椭?相變材料熔化得較快,在較短的時(shí)間內(nèi)便已出現(xiàn)對(duì)流傳熱;而此時(shí)同心套管模型中,只存在熱傳導(dǎo),傳熱效率較低。隨著相變材料逐漸熔化,兩種模型中的傳熱方式逐漸從熱傳導(dǎo)轉(zhuǎn)向強(qiáng)度較高的對(duì)流傳熱,故液相率增長(zhǎng)的速率都有所加快,但由于多管模型中對(duì)流強(qiáng)度更高,所以其液相率增長(zhǎng)速率仍舊快于同心套管模型。在熔化末期,由于相變區(qū)溫差逐漸縮小,液相率增長(zhǎng)的速率漸漸變緩,但是仍舊可以看出,多管模型中液相率的增長(zhǎng)快于同心套管模型。由液相率曲線可知,在熔化15000s左右時(shí),多管模型中的相變材料已經(jīng)全部熔化,而同心套管模型中的相變材料在24000s左右才完全熔化。多管模型熔化時(shí)間較同心套管模型減少了約9000s,即多管模型的蓄熱效率提高了約38%。通過分析模擬結(jié)果可以得出:(1)蓄熱時(shí),傳熱方式是由熱傳導(dǎo)逐漸向熱對(duì)流轉(zhuǎn)變,而且多管排列模型的對(duì)流要早于并強(qiáng)于同心套管模型;(2)由于多管排列模型比同心套管模型的傳熱面積大,并且各內(nèi)管間可以產(chǎn)生擾動(dòng)以增強(qiáng)對(duì)流,因此多管排列模型的換熱效率比同心套管模型提高了約38%。4相變