用于儲存太陽能的相變蓄熱過程的數值模擬

用于儲存太陽能的相變蓄熱過程的數值模擬

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)調時間和強度上的熱能供求是經濟和可行的方法。為了提高相變蓄熱裝置的蓄熱性能,很多學者都對相變材料的強化傳熱進行了大量研究,通常采用在相變材料中加入高孔隙率的多孔介質、安裝金屬結構、分散高導熱顆粒及添加具有高導熱、低密度的填充材料等方法來提高相變材料的導熱系數,進而提高蓄、放熱速率,來強化蓄熱裝置的蓄熱性能~。李新國對圓管外石蠟的相變蓄熱進行了實驗研究,得出了同心套管相變蓄熱器的蓄熱規(guī)律。以往對套管式相變蓄熱器的研究中,研究對象多為同心套管式蓄熱器。在數值模擬中,為了減少網格數量和計算量,通常將其簡化為2D模型,并關閉內管流體的湍流項,有關多管排列套管式相變蓄熱器的研究較為少見。本文對蓄熱器的結構進行了改進,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,并在考慮自然對流、內管流體湍流以及3D模擬的情況下,對該裝置和同心套管兩種套管式相變蓄熱器的蓄熱過程進行了數值模擬,并分析對比了模擬結果,為今后套管式相變蓄熱器在太陽能工程中應用提供參考依據。1模型的構建1.1不銹鋼內管系統(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參數。圖1所示為相變蓄熱裝置示意圖。裝置外部是一個高H為313mm,直徑D為126mm的不銹鋼環(huán)形圓筒;內部為沿中心對稱分布4根直徑d為13mm的內管,4根內管的縱橫間距L為31mm。內管中的傳熱流體為水,內管和殼體之間封裝著相變材料。傳熱流體沿內管從下部流入、從頂部流出。傳熱流體與內管管壁換熱,內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,并添加膨脹石墨強化其導熱能力。相變材料中添加10%膨脹石墨的物性參數如表1所示。1.2流體密度方程采用Fluent軟件對蓄熱裝置的蓄放熱過程進行模擬,數值計算中采用以下基本假設:(1)石蠟純凈、各向同性;(2)蓄熱器模型忽略內管的壁厚,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,只在浮升力項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)考慮自然對流的影響,自然對流為層流。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為任意時刻的比焓,kJ/kg;href為基準焓(初始焓值),kJ/kg;h為顯熱焓,kJ/kg;ΔH為相變潛熱項,kJ/kg;Tref為基準溫度(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為導熱系數,W/(m·K);T為蓄熱體任意時刻溫度,K;t為時間,s;β為液相率,即液相物質所占整個控制容積的體積比,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,動量方程中源項為其中:ε為常數,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。2建立網格劃分本文采用Fluent的前處理軟件Gambit進行建模和網格劃分,然后導入Fluent,選擇求解模型,設置邊界條件和初始化條件,設置迭代和控制參數進行計算。2.1內管流體的求解選用Solidification&Melting模型,內管流體區(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、分離求解器進行求解。為了更快地得到收斂的解,采用SIMPLEC算法,并適當降低松弛因子。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,迭代前須設置監(jiān)視器。本文設置了相變區(qū)的溫度和液相率監(jiān)視器來監(jiān)測整個熔化過程。3多管排列模型圖2為不同時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,同心套管模型中只有內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。同時可以發(fā)現,多管排列模型中,液態(tài)石蠟較多且擾動較大。由此可見,多管排列的換熱強度更大,且在內管之間產生了擾動。可以推測,在多管排列模型中,內管壁之間已經產生以液態(tài)石蠟為介質的對流。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階段;在多管模型中,除熱傳導外,還存在強度較低的熱對流。當熔化時間為7200s時,雖然兩種模型中的相變材料溫度均已高于熔點327K,但可以明顯看出,多管排列模型中,四根內管間的相變材料溫度高于331K,流體層的區(qū)域明顯擴大,對流強度也有較大增強,而同心套管模型僅在內管外層形成較薄的流體層,存在強度較低的熱對流?？梢钥闯?多管模型的傳熱能力強于同心套管模型。這主要是由于多管排列模型可以增大傳熱面積,起到增強對流的作用。隨著相變材料熔化過程的進行,兩種模型的傳熱方式逐漸都由熱傳導變?yōu)閷α鱾鳠?。到?0800s時,多管排列模型已經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,相當一部分的石蠟尚未熔化完成,且對流強度仍舊處于較低水平,其蓄熱過程還在繼續(xù)?？梢赃M一步看出,多管模型的蓄熱能力強于同心套管模型。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是一致的,但是兩者的增長速率有所不同。在熔化過程初期,多管排列模型的液相率增長明顯快于同心套管。這是因為多管排列模型中,相變材料熔化得較快,在較短的時間內便已出現對流傳熱;而此時同心套管模型中,只存在熱傳導,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轉向強度較高的對流傳熱,故液相率增長的速率都有所加快,但由于多管模型中對流強度更高,所以其液相率增長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快于同心套管模型。由液相率曲線可知,在熔化15000s左右時,多管模型中的相變材料已經全部熔化,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%。通過分析模擬結果可以得出:(1)蓄熱時,傳熱方式是由熱傳導逐漸向熱對流轉變,而且多管排列模型的對流要早于并強于同心套管模型;(2)由于多管排列模型比同心套管模型的傳熱面積大,并且各內管間可以產生擾動以增強對流,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