（工程热物理专业论文）相变蓄热装置的数值模拟与优化.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 节能是当今世界共同关注的主题，也是我国“十二五规划 的重点内容，节能技术 已经成为学术界较为固定的研究方向。相变蓄热技术作为节能方法之一，不仅能用于回 收蒸汽等废热，而且能实现热能的分时利用，在工业余热回收和太阳能利用等领域有广 泛应用，能有效提高能源利用效率，产生明显的节能效果，因此研究相变蓄热技术具有 现实意义。 相变材料的导热系数较小，使得相变蓄热系统的蓄放热速度较低，因此找出相变蓄 放热速度的影响因素以及强化相变传热的方法显得尤为重要。相变过程中伴有传导和对 流现象，并且存在移动边界问题，因此对于多维相变，一般借助数值模拟的方法处理。 本文利用f l u e n t 软件对相变蓄热过程的影响因素、不同规格翅片对强化传热的影响进行 了数值模拟研究，主要研究内容和所得结论如下： ( 1 ) 针对石蜡相变传热过程，建立壳管式相变蓄热单元，设置尺寸为5 0 0 1 0 0 m m ， 根据文献数据设置边界条件，对比出口平均温度和监测点1 的温度曲线，结果表明模拟 数据与实验数据吻合。 ( 2 ) 从考虑和不考虑自然对流作用的模拟结果可以看出，石蜡液相区域出现自然对 流现象，并存在速度场。当传热流体为6 0 、0 8 8 m s 的水、石蜡液相分数达到5 0 左 右时，自然对流作用开始较快的促进石蜡的熔化，并持续到熔化结束。提高相变材料的 液相率可以增大自然对流作用，缩短熔化时间。 ( 3 ) 传热流体的温度是影响相变蓄热过程的主要因素，当温度从6 0 增加到8 0 时，石蜡的熔化完成时间减少了2 9 9 7 s ，可以看出，增加温度可以明显加快石蜡的熔化 过程；传热流体的速度也是影响相变蓄热过程的因素，增加速度可以加快石蜡熔化，但 增幅不明显，当传热流体的流速从o 8 8 础增加到1 1 5 n 以时，时间缩短了8 4 5 s 。 ( 4 ) 在相变区域加入一个铝制翅片后，在翅片附近出现与之相平行的等温线，热量 通过翅片在轴向传递。通过与光滑管的模拟结果进行对比发现，加入翅片后，相变的传 热热阻减小，石蜡的热导率增加，完全熔化时间缩短了2 4 8 s 。 ( 5 ) 翅片高度分别设置为2 m m 、3 衄、3 5 m m 和4 蚴，厚度分别设置为o 4 n 皿、 0 6 n l l n 、o 8 m m 和1 o 嘞，个数分别设置为1 、3 、5 、7 个，通过对比模拟结果发现，随 着翅片高度、厚度以及个数的增加，石蜡的熔化速度加快，但速度加快的趋势有所减慢。 由于翅片高度、厚度和个数的增加会减少相变材料的体积，减少蓄热量，因此综合考虑 熔化速度以及蓄热系统的经济性，适用于l o 5 0 衄模型的翅片规格为5 个0 6 m m 山东建筑大学硕士学位论文 3 咖的铝制翅片。 关键词：相变蓄热，数值模拟，自然对流，翅片，强化换热 山东建筑大学硕士学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d o p t i m 娩a t i o no fp h a s ec h a n g e h e a ts t o 阳g ed 谢c 姻 f 锄gc o n g c o n g 晒n 血gn 锄op h y s i c s ) d 删b y q i 舳h 眦q 强 abstract e | 嘲伽咖；e r v 撕o ni sa 卸i c o f c 0 哪m o nc o n c 锄i n 咖sw 0 r l d 趾di ti sa l t h ek e y e l 衄l e n t s0 fc l l i m s “1 2 mf i v e y e 盯p la n _ ”e n e r ：g y - s a v i i l gt e c h l o 盯h 嬲b e 吼t 0a 做e d d i r e c t i o ni na c a d e m i a p h a c h 觚g eh e a 土s t o r a g et e c h n o l o g yi s eo ft 1 1 ee n e r g y s a v i n g m 池d s i ti sn o to 埘删f b r 恤姗v e r yo f 姗s u c h 嬲w a s t eh 毗b u ta l 舫 a 出e v e 迦n l e 劬e s h a r i n g 砸l i 蒯0 n0 fh e a t p b a 妇g eh e a t 咖et c c h n m o g ) ，h 嬲谢d e 印p l i c 撕。嬲i na r e 嬲跚【c h 勰i n d l l s t r i a l 嘁h e a lr e c o v e 巧锄du t i l 础i o no f l 盯e 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砬t o r s 锄d 也cw a y st 0 伽b 锄c eh e a 土劬吣f hi nt 1 1 ep r o c e s so fp h a c h a n g e t h cm a i n 她s 船袖c 0 曲斑a n d c o n c l u s i o i 坞a l a sf b l l o 、 ，s ： ( 1 ) 融枞i s has h e ua n d 组b e 灿岫也e m a ls 溉a g eu 缺f o r 龇舳衄 慨eh 髓t 也咄p c e 鼹a c c o m 唱t 0t b e 铡p 喇m 即枷d a ：t a ，s e tt h es 协o f 5 0 0 1 0 0 i n m s e tt h eb o 咖成l 巧c o n d i 缸。璐c o r n p 啦m e 删哪t e 】叫嘲舭o f 舒：p c 毗a n d 也et e 】m 】p e ：咖 c l l r v eo f 也em o n i t o r i n gp o i n tl ，训t sg h o w 也a t 也ec m c u i a d o n 纰c o m c i d ew i m a 【p 豇i n 删抵 ( 2 ) c 哪m e c a l c u l a l i 蚰他s i l l t so f 咖c o n 璐，w ec 柚血dt h a tm el i q 螂衄 阳西o nh 嬲m 而m l c o n v e c 缸o np l i 咖m 咖a n dv e l o c i t y 矗e l d w h e n 也eh e a t 懈f 打n l l i di s 嗽6 0 、0 8 8 m ，s ，趾dp 觚蜢nl i 删d 纳c t i 0 f a b o l i t5 0 ，加：t i 】n a l n v e c t i o nb c g i i lt 0 p r 伽t et h em e l t i l l go f p 觚触锄d c o m i r i 嘴t 0t h e 即do f n l e l t 抽g i m p v c 恤阳：c eo fl i q l l i d m 山东建筑大学硕士学位论文 p h a c h a n g em a t e r i a l sc a ni i l c 坞a t 1 1 er o l eo f 彻l u r a lc v e c t i o n 锄ds h o r t e nt h em e l t i i l g d m e ( 3 ) t h eh e a t 的璐f 打n u i dt e m l 硝融u r ei sm em a i l lf k t o rt 0a 疵nt h cp h a 辩c l l a n g e 协e m 眦s t o m g ep m c e s s w h 钮t h et e i n p l e r 砸鹏i n c 坨弱e s 矗0 m6 0 t 08 0 ，t l 舱m e l 恤g c o m p l e t i o nt i l 卫峙o fp 乏哦皿- mr e d u c e s2 9 9 7 s w ec a ns t 1 1 a tt t l ei n c r 翩s ei i lt 锄珲豫t l l r ec a n s i 鲥矗c 趾n y 辨e du p 曲础l 恤gp r o c e s so f p a m 胁t h eh e a t 的1 1 s 船n u i dn o w 蹦ei sa l s o l ef a c t o rt 0 甜e c tt ：h ep t l 嬲ec h a n g e 协e m a ls t o 船g ep r o c e s s ，t l i ei i l c r e a i nf l o wm ：t ec a n s p c c du p 也c 眦n i n gp r o c e 豁幻o ，b u t 也ei n c 愀i j s n o to b v i o l l s w h e nt h en o wm t ei n c 陀黜s 五f o m0 8 8 m st 01 1 5 m s ，t 1 1 et i l n er e d u c e s8 4 5 s ( 4 ) a d da na l l 】l i l i m l m 丘ni nt h ep h a 缸a 璐i 畦o n 托g i o n n e 盯也ef 咄w ec a n e i m 锄mp a r a l l e lt 0 也e 丘na n dt l l eh e a t 慨s 向i n 仕屺叙i a ld 沁c t i o nt h | 0 u g hm ef i l l o 跚叩a 血gm ec a l c i 蜥叽m s u l t sk 帆v ns m 0 0 t l l 加b e 锄df i nt i l b e ，w e 删t l l a t 也ep h a c h a n g et l l e r m a l 佗s i s t 锄c ed e c r e a s e s ，m e 廿l e m l a lc o n ( i u u 嘶v 毋o fp 乏哪慨i n c r e a s 粕d 恤 峨p l e t e l ym e n i n gt i l n er e d 聃s2 4 8 s ( 5 ) 1 1 1 c 丘nh c i g h ti ss c tt 02 i i l 】【n ，3 删鸥3 5 衄觚d4 删吗t 1 1 i c k 鹏s si ss e tt oo 4 珊呜 0 6 砌】，o 8 衄趾d1 o i 吼a n d 也cf i n 眦航ri ss e tt 01 ，3 ，5 趾d7 c 0 m p a r 啦龇 c a l c l l l a t i o n 豫幽，w ec 觚f i n dn l a t 也ep 吸匮mi n e l t i l 玛r 眦i sa c c e l e r a t e d 砌m ei n c r e 缴o f 日1 cf i nh e i g 址也i c k s s 锄d 咖n i b b u t 血e 慨n dh 嬲s l o wd o v 眦1 k 遗c 豫璐eo fm e 丘n h c i 批t l l i c k n e 鼹锄d 删m b c r 砸舭t h cv o l 啪eo f p c m 柚d 此h c 砒咖嘲ec a p a c 咄 f i v ea l u m j n u m 丘璐，0 6 m m 3 姗呱a 陀丘tf o rl o 5 0 n 蛐m o d d k e yw o r d s ：p h 黜c h a l l g e 恻咖，删c a ls i n i u l a t i 呱删删以咀 f i n ，h e a t 仃a n s f 酹a l l l 锄c e 皿旧吐 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 ， 1 1 课题研究的背景及意义 能源是人类社会生存的基础，能源的开发和利用是人类社会发展的动力，能源开发 利用水平又是人类社会文明的重要标志之一，可以看出，能源和人类社会的发展密切相 关。人类的历史，是逐步认识和利用能源的历史，能源的发展推动了整个人类社会的发 展【1 1 0 随着世界经济的快速发展，能源消耗也随之急剧增加。从2 0 世纪7 0 年代起，能源 问题就被列入世界五大问题( 能源、人口、粮食、资源、环境) 之一，由能源问题引发 的世界性矛盾和冲突此起彼伏。据报道【2 】，全球探明的煤炭储量只能再供开采2 0 0 年， 石油储量约能供开采3 4 年，天然气储量约能供开采6 0 年。因此，今后人们不得不尽可 能的节省化石能源，开发以可再生能源为基础、可持续发展的新能源体系。随着世界人 口的飞速增长，导致地球上人类的生存空间越来越小。环境恶化和资源枯竭是悬在人类 头顶上的双刃剑。为了维持经济快速发展以及人们日常生活的需要，大量使用石油、柴 草、煤炭等资源，不仅造成资源枯竭，还给人类的生存环境带来巨大破坏。土地沙化、 冰山消融、洪水泛滥、臭氧层变薄，这一系列的灾害无一不严重影响人类的生存，而造 成这些灾难的元凶就是人类的过度消耗能源。因此，不断开发新能源、有效利用现有能 源等节约能源的课题应运而生。 自然界中各种形式的能源通过直接或间接的方式提供能量，统计资料表明，以热能 形式提供的能量占据了人类所利用能源的相当大的比例。能源的开发和利用从某种意义 上讲，就是热能的利用。然而我国目前的热能利用技术水平与世界上发达国家相比还有 很大差距，主要表现在热能利用系统落后、热能利用率低、经济性差。如何开发新能源 并提高其利用率成为迫切需要解决的问题。目前，蓄热技术作为有效利用能源的一个重 要环节，受到了广泛的关注。 在现有的能源结构中，热能是最重要的能源之一。大多数能源都存在间断性和不稳 定的特点，如太阳能、地热能、风能和工业余热废热等，导致人们在许多情况下不能合 理的利用能源。例如，在不需要热时有大量的热量产生，而急需热能时却不能及时供应， 或者很大一部分当作余热而损失掉等。蓄热技术就是解决这种用能矛盾的有效方法，利 用特定的装置，将暂时不用或多余的热能通过一定的蓄热材料储存起来，需要时再加以 利用。 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 蓄热技术概述 蓄热技术在远古时代就已经应用于日常生活、建筑设计和采暖系统中，但在工业中 的应用始于1 9 世纪。 1 2 1 蓄热方式的分类 蓄热的方式主要有三种网：显热蓄热州、潜热蓄热以及化学反应蓄热。 ( 1 ) 显热蓄热 对蓄热介质加热，使其温度升高，内能增加，将热能储存起来。利用显热蓄热时， 蓄热材料在蓄放热过程中，本身仅发生温度的变化。这种蓄热方式简单且成本较低，但 是在释放能量时，蓄热材料的温度连续变化，因此释放所有能量时不能维持恒温，无法 达到控制温度的目的。再加之显热蓄热材料的蓄能密度低，使相应的装置体积较大，因 此其工业应用价值不是很高。 常用的显热蓄热介质有水、砂石和水蒸气等。显热蓄热主要用来储存温度低于1 5 0 的热能，由于低温热能转换成机械能、电能等能量的效率不高，并且受热动力学基本定 律的限制嘲，因此显热蓄热储存的热能仅用于取暖。 ( 2 ) 化学反应蓄热 化学反应蓄热是利用可逆化学反应的结合热来储存热能，用于蓄热的化学反应必须 满足下列条件：在放热温度附近，反应热较大；反应速度快；反应系数对温度敏感；反 应剂稳定；对容器的腐蚀性小等。 利用热化学反应将暂时不用的余热，转变为化学能储存起来，在需要时，利用逆向 反应，将储存的能量放出，使化学能转变为热能加以利用。例如，十水硫酸钠 n a 2 s 0 4 1 0 h 2 0 是最先用于化学反应蓄热的物质。当加热时，它会溶解于结晶水中，温 度达到3 2 4 以上时，则形成无水硫酸钠的浓溶液，并吸收大量的热。当温度降至3 2 4 以下时，发生逆向反应，重新生成结晶体，同时放出同量的热。 俄罗斯科学家发现一种烷基烃，熔点为2 3 3 ，正好是人类居住的最佳温度，将这 种烷基烃注入到墙体、屋顶和地面中并加以密封，高于熔点时，烷基烃从固态转变为液 态，吸收热量：低于熔点时从液态转变为固态，放出热量，这样就可以维持室内温度恒 定。这一相变储能的原理已经用于太阳能蓄能技术中，将白天的太阳能储存起来，便于 夜间使用，以保证用能均衡。 由此可见，发展化学蓄热技术的关键是选择合适的蓄热材料和选择相应的化学反应。 这些反应应该具备以下特点：正逆反应的转变速率较快；可逆性好；反应物、生成物无 2 山东建筑大学硕士学位论文 毒无腐蚀性；材料单位质量或体积的蓄热量大；蓄热材料价格低廉、来源广泛等。 ( 3 ) 潜热蓄热 潜热蓄热运行的基本原理：物质由固态转变为液态，由液态转变为气态，或者由固 态转变为气态( 升华) 时吸收热量，进行逆过程时释放热量。潜热储存是系统中的物质 被加热熔化或者在恒温条件下产生其他某种状态的变化，这种物质能量密度高，所用装 置简单、设计灵活、体积小、使用方便易于管理1 6 l 。这种利用相变潜热来储存热量的物 质称为相变材料( p h a c h 锄g em a l i 嘶a 1 ) 。除此之外，潜热蓄热系统还有_ 个很大的优 点，即相交材料在蓄放热过程中近似恒温，可以控制体系的温度，这是潜热蓄热与显热 蓄热相比最大的优势。另外，潜热蓄热系统也有其他潜在的优点，即潜势大、能通量高。 物质的相交通常包括以下几种形式： 固态一一气态、液态一一气态、固态一一液态、固态一一固态 对于固气相变来说，气态分子具有最大的运动自由度，而固态分子的运动自由度最 小，因此固气相变，即升华和凝华具有最大的相交潜热。但相变过程中相变材料体积变 化巨大，使系统庞大而复杂，因而很难用于实际工程中。对于固液相变来说，具有以下 特点：( a ) 材料的固液相变潜热远大于其显热，因此可以用较小的体积储存较多的热量： ( b ) 蓄放热过程近似恒温；( c ) 固一液相变过程中体积变化较小。基于以上三个特点， 固液相变是实际应用得较多的相变蓄热方式。 近几年来，对固固相变的研究以及应用迅速发展。其主要优点是体积变化小，相变 过程中不出现液态，可以减少对容器的要求，这些优点使得固固相变在相变蓄热领域得 到越来越多的应用。 实际上，显热蓄热、化学反应蓄热以及潜热蓄热很难明确区分。例如，潜热蓄热的 同时也会储存一部分显热；化学反应蓄热材料也可能同时储存显热或者潜热。比较上述 三种蓄热方式，潜热蓄热是最具有实际发展前途、应用前景最为乐观的储能方式。 1 2 2 潜热蓄热的分类 按照相变材料的相变形式不同，潜热蓄热可以分为固液相变、圃一气相变、液气相 变以及固固相变，其中以固液相变的应用最为广泛，而固一固相变近年来受到越来越多 的关注。潜热蓄热按照相变温度的不同又可以分为低温潜热式蓄热和高温潜热式蓄热两 种，下面来简要介绍一下这两种蓄热方式。 ( 1 ) 高温潜热式蓄热 高温潜热式蓄热主要用于太阳能电站、热机、人造卫星以及磁流体发电等方面。高 3 山东建筑大学硕士学位论文 温熔融盐类、金属及合金以及混合盐类是主要的高温相变材料。主要的高温熔融盐为氟 化盐、硝酸盐、氯化物、硫酸盐以及碳酸盐类物质。混合盐类的温度范围较广，熔化潜 热较大，但盐类有一个明显的缺点就是腐蚀性严重，会在容器表面结晶或者结壳。金属 及合金作为蓄热介质，相变潜热大( 铝- 硅合金的相变潜热可达1 1 6 0 m j t ) 、热稳定性好、 热导率高，但是由于金属及合金在高温下具有强烈的腐蚀性，限制了其发展。因此，熔 盐作为高温应用的潜热式蓄热介质，对其的研究较多。表1 1 给出了9 种共熔混合物的 物性参数川。 表1 1 若干共熔材料的物性参数 组成熔点温度 熔点时的密度相变潜热 材料名称 ( 瑚1 )， 蚝m d 脚m 3 n a 2 c 0 3 n a 2 0 n a o h 6 5 ：7 4 ：8 6 12 8 8 31 8 8 1 42 3 6 1 n 拱0 3 n a o h 2 7 7 32 4 0 1 8 2 92 4 4 - 3 n a n 0 3 k n 0 3 5 4 4 6 2 2 2 21 9 6 01 1 7 5 n a n 0 3 n a o h 7 0 3 02 4 7 51 9 1 0 31 5 8 2 n a c l n 荆0 3 n a 2 s 0 4 8 4 ：8 6 3 ：5 32 8 6 51 9 3 6 31 7 7 7 n a b r n a o h 2 2 3 ：7 7 7 2 6 l2 0 1 9 51 6 1 9 l l n 0 3 l o o 2 5 41 7 8 23 8 0 8 b a n 0 3 l i n 0 3 2 6 ：9 7 42 5 32 1 3 33 6 6 4 c a ( n 0 3 ) 2 l i c l 4 0 8 5 ：5 9 1 52 6 9 71 8 6 81 6 7 5 实验表明，n a c l n a 2 s 0 4 在4 5 0 以下、n 删在4 0 0 以下都具有 很好的热稳定性，将这两种材料分别放在中碳钢的管状容器内，在5 啦3 5 0 内做加热冷 却循环试验，结果表明，两种熔盐的熔点与相变潜热几乎没有明显的变化。 相变材料在融化和凝固时必须考虑体积变化问题，对于水平放置的圆管，若相变介 质凝固时体积减小1 0 ，有效传热面积减少2 5 。如果相变介质的凝固速度、表面张力 以及粘度的大小不同，介质凝固时出现的空隙将会分散在整个蓄热介质中。当介质中出 现空隙时，会使蓄热介质的热导率降低。如果体积减小很多，则对传热速率产生很大的 影响，实验表明，空隙的形成和传热速率有关，快速冷却可以抑制大空隙的产生。 ( 2 ) 低温潜热式蓄热 用于太阳能储存、余热废热回收以及暖通空调系统的蓄热系统多为低温潜热蓄热系 统。低温相变材料主要分为无机水合盐类和石蜡、脂肪酸等有机物类。无机水合盐类包 括磷酸盐、硫酸盐和碳酸盐等，熔点低，相变潜热大，价格便宜，但是水合盐类最大的 4 山东建筑大学硕士学位论文 缺点就是多次熔化凝固之后容易出现过冷、固液分离以及老化变质等不利现象，必须添 加增稠剂、熔点调节剂等稳定性物质。 石蜡和脂肪酸类化合物的熔化潜热虽然低于无机水合盐类，但是在多次熔化凝固之 后不会出现固液分层和过冷现象，不腐蚀容器，因此得到了广泛的应用。 在蓄放热过程中，潜热式蓄热设备的温度变化小，这一点与显热式蓄热不同。这个 优点可以提高集热器的热效率，可使得集热器的面积减小，有利于提高系统的经济性。 1 3 相变蓄热材料 1 3 1 相变蓄热材料的性能要求 理想的相变蓄热材料对性能有一定的要求，主要分为三个方面：热力学条件，化学 条件和经济性条件弘1 1 1 。 首先对于热力学条件，理想的相变材料得有合适的相变温度，对于潜热蓄热材料来 说，应该有较大的相交潜热：液态或固态材料的热导率高，热量可以方便地存入和取出； 材料的性能比较稳定，可反复使用而不发生熔析现象；材料的密度大，发生相变时的体 积变化小；体积膨胀率小，蒸汽压低，不易挥发损失。 其次对于化学条件，要求相变材料的腐蚀性小，与容器相容性好，不易燃，无毒， 无偏析倾向，融化凝固不分层；对潜热蓄热材料，要求材料在凝固时无过冷现象，稳定 性好；最后对于经济性条件，要求相变材料的价格低廉，制备方便，原料充足等。 在实际过程中，很难找到满足以上所有条件的相交材料。因此，在选择相变材料过 程中首先考虑是否有合适的相交温度和是否有较大的相变潜热这两个条件，然后再根据 其他条件择优。 1 3 2 相变蓄热材料的分类 相变蓄热材料有很多种类，由于材料的化学组成不同，可将相变材料分为有机材料 ( 高分子类) 和无机材料；按照蓄热方式的不同，可将相变材料分为显热、潜热和反应 蓄热材料；按相变方式的不同可分为固- 液、固一固相变材料；从温度范围分为低温与高 温等类型【1 2 1 。相变材料通常是由主储热剂、防过冷剂、相变点调整剂、相变促进剂以及 防相分离剂等组分组成的。 本文主要研究低温固液相变过程，因此仅介绍低温固- 液相变蓄热材料的分类。固 液相交材料具有相变潜热大、成本低以及相变温度范围宽等诸多优点，因此固液相变系 统装置简单、价格便宜、节约能源、装置灵活且使用方便。但是固- 液相变材料也存在一 些缺点，如易发生相分离和过冷现象等。 5 山东建筑大学硕士学位论文 各种工业或公用设施中使用的中低温蓄热材料，主要用于回收废热和储存太阳能， 其储能密度大，成本低，是目前固液相变蓄热系统的主流。 ( 1 ) 无机相变材料 金属或合金、熔融盐、结晶水合盐、其他无机物为主要的无机相交材料。最典型的 无机相变材料是结晶水合盐，其熔点从几摄氏度到一百多摄氏度，可以提供7 0 多种相交 材料。结晶水合盐有较大的熔解热和固定的熔点，其价格便宜，热导率高，体积蓄热密 度大，但是结晶水合盐容易出现过冷现象和相分离，因此制约了其发展。 ( 2 ) 有机类相变材料 脂肪酸或其酯或盐类、高级脂肪烃类、醇类、酰胺类、芳香烃类和多羟基碳酸类等 吲为主要的有机类相变材料。高分子类有机相变材料主要包括：聚烯烃类、聚烯醇类、 聚多元醇类以及其他的一些高分子。石蜡是一类有机相变材料，是采暖系统中的潜热式 蓄热介质。石蜡的主要成分是烷烃g 日：棚，熔点和熔解热随着链的增加而增加。常用 的相变材料的熔点范围为一1 2 7 5 9 ，熔解热为1 5 0 - 2 5 0 j g 。石蜡作为相变蓄热材料的优 点是相变潜热大、使用温度范围广，在凝固时不会发生过冷现象，性能稳定且价格最低， 缺点是热导率小和密度小。 有时需要将几种有机相变材料复合以形成相变温度适当、性能优越的二元或多元相 交材料，以使之得到更好的应用【堋。 1 3 3 相变蓄热材料的热物性及测定方法 相变蓄热材料的热物性是衡量其性能优劣的标尺，又是相变材料应用于系统设计的 依据【1 5 1 。相变材料的热物性主要有热导率、比热容、相变潜热、膨胀系数以及相变温度。 相变温度、比热和相变潜热的测定方法主要有三类：一般卡计法、差示扫描量热法 ( d s c ) 和差热分析法( d 1 a ) 。下面对差示扫描量热法【1 q 进行简要介绍。 d s c 测量方法为功率补偿型，基于“零点平衡原则 来调整试样的加热功率e ，使 样品和参比物始终有相同的温度，即温差丁为零。，因此，试样和参比物对环境的热交 换量不同，试样的吸热量可由参比物对环境的换热量、试样与参比物的加热功率差由如 来计算出。 d s c 测试系统的基本方程如下： 试样系统的热量守恒方程为： g = 鲁一警= 安+ 竿 t ) 6 山东建筑大学硕士学位论文 参比物的能量守恒方程为： c ，= 鲁= 罕 n 2 ， 上两式相减，其中去( 马卅- 0 ，去等；昙( 可得： 筹一安鹕- c ，) 鲁一r g 雾 3 ， 式( 1 2 ) 即为d s c 曲线方程，根据该方程可以由曲线图确定驯如。对上式进行 简化之后得到材料的热焓变化胡： a 日= 觑 ( 1 4 ) a 为由办曲线与基线所围成的面积，k 为换算系数，又叫仪器常数，k 不随温度 而变化，实验前一般用标准物质进行标定。 下图为d s c 的原理图和曲线图。 图1 1d s c 原理图 相变材料的导热性能表现在其热导率上， 非稳态法【1 7 1 。 图1 2d s c 曲线图 热导率的测量方法主要有两种：稳态法和 试样的温度分布在稳态测试法中是稳态的温度场，不随时间而变化，当试样达到热 平衡后，通过测量试样单位面积的温度梯度和热流速度，可直接测定试样的热导率。非 稳态测试方法有热线法、瞬态板源法和瞬态热带法【1 8 ，1 9 1 。非稳态测试中，试样内的温度 分布是非稳态温度场，随着时间变化而变化，测试试样的温度变化速率，就可以测定试 样的热扩散率，进而得到材料的热导率。由于稳态测试法耗时较长，因此非稳态测试法 7 山东建筑大学硕士学位论文 较为常用。 1 4 相变蓄热系统的数值模拟及现实应用 1 4 1 相变蓄热系统的数值模拟 相变蓄热形式多种多样，最常用的为固- 液相交，其凝固一熔化过程的传热问题是移 动边界问题，较为复杂，固- 液界面的移动与边界吸收或释放的潜热有关时，则问题更为 复杂。此类问题为强非线性问题，不能使用解的叠加原理，再加之液相对流、相变材料 与容器壁之间的热阻不确定以及相变引起的体积变化等因素，使得相变传热问题的求解 非常困难，因此对于多维相交问题，一般只能采用数值分析的方法来处理。一般以半经 验公式与数值求解相结合的方式来研究相变蓄热系统的数值模拟，虽然该法的计算难度 较大，但是具有较强的指导意义刚。下面选取比较有代表意义的模型来具体介绍一下。 邢玉明等【2 1 】采用焓方法并以控制体单元为对象建立了单管相变蓄热模型，对系统进 行数值分析，得到了工质气体的出口温度和平均壁温等参数的瞬态变化值。王华等瞄1 采 用焓增法对球形相交复合蓄热材料的模型进行研究，找出了相变潜热、复合材料的尺寸 以及导热系数等因素对放热过程的影响。g o n g 等建立了管壳式换热器的模型，管侧为传 热流体，壳侧填充相变材料。采用有限元法对熔解进行分析，分析表明，对于导热型相 变蓄热系统，传热流体最好布置在同侧。c o 叙团1 等建立了矩形蓄热模型，固液相交应 用能量方程，边界层应用动量方程、连续性方程和斯蒂芬方程。分别对三种相变材料进 行分析，提出计算强关联方程的半经验公式( s m 伊l e c ) 。c o a s t 认为，造成理论值与实 验值偏差的因素有热惯性、热损失、系统不稳定以及密度的变化等。 近几年来，尽管对相交蓄热系统的模拟取得了一定的成绩，但是由于模型较多，系 统结构、相变材料和传热方式的差异较大，模型的通用性较差，因此对相变蓄热系统的 模拟仍然任重道远。 1 4 2 相变蓄热装置的强化换热 由于相变材料的热导率一般较低，为了提高蓄热系统的蓄放热速度，通常采用一些 方法来提高相交材料的导热能力，达到强化换热的目的。常用的方法分为两类：在相变 材料中添加导热系数较大的微粒，如金属粉末、膨胀石墨【2 4 】、金属环、金属丝网等；在 相变材料的壁面上添加金属肋片等瞵】。 h a 跚a i n 【2 6 l 在石蜡中添加金属填充物、肋片管等来提高石蜡的导热性能。 盈锄g g u o 曲e n 鲫等将多孔膨胀石墨浸入液态石蜡，使用这种相交材料大大减少了储放热 时间，而且没有降低相变材料的储热能力。m i n 网等使用的相交材料为石蜡，支撑 8 山东建筑大学硕士学位论文 材料为s b s ，注入膨胀石墨，解决了相变材料导热率低的问题，提高了储热装置的放热 速度，用这种方法制得的相变材料的潜热能达到纯石蜡的8 0 。近几年来，出现了一种 将碳化纤维做成刷子形状来强化传热的方法，碳化纤维的体积小，可以精确控制，研究 表明流体流向与碳化纤维方向一致时，强化换热的效果最好【2 9 ：琊1 1 。 b u g 萄e 【3 2 】在2 0 种低导热系数的相变材料中添加2 0 的星状铝制肋片，实验结果表 明，蓄热时间减少了2 2 倍，释熟时间减少了4 t 2 倍。v e l 删等人【3 3 】分别用数值和实验的 方法分析了在管内添加十字形肋片的强化传热效果。结果表明，蓄热单元的换热效果明 显提高。c o s t a 等人刚利用焓法分别计算了有肋片和无肋片时，蓄热系统中p c m 的熔化 比率，结果表明加入肋片后，p c m 的熔化率明显增加。 1 4 3 相变蓄热系统的现实应用 虽然对相变蓄热系统的研究才短短几十年时间，但其应用却十分广泛，已成为一种 新兴技术，下面从几个方面分别介绍一下相变蓄热系统的现实应用。 首先在工业余热利用方面，相变蓄热系统可以将生产过程中的余热存储起来，在需 要时提供稳定热源，适合于间断性的加热过程，使用这种技术可节能1 5 _ 4 5 。相变蓄 热系统通过物质在相变过程中潜热的吸收和释放来实现热能的储存和输出。该系统具有 蓄热量大、热惯性小、体积小以及输出稳定等特点。 其次在太阳能热储存方面，蓄热装置会把具有间断性的太阳能储存起来，在需要太 阳能的时候释放出来，从而连续稳定的供应生产生活用能。用于生活生产各个方面的太 阳能装置都需要储存热能，低温太阳能蓄热技术常用的蓄热介质有水、石蜡以及无机水 合盐等。 相变蓄热系统在其他方面也有广泛的应用，如应用于太空中的太阳能热动力发电、 相变墙体、人体取暖以及温度敏感材料的运输和保存等方面。总之，相变蓄热材料在太 阳能利用、节约能源、医疗保健产品以及工程保温材料等方面，都显示出广阔的应用前 景。 1 5 本文的主要研究内容 本课题的主要任务是通过理论和数值模拟研究找出相变过程的影响因素、强化传热 的手段等，初步掌握装置的几何特性以及传热流体的流动特性等参数对相交蓄热过程的 影响，为开发相变蓄热装置提供科学的依据。主要内容包括以下几点： ( 1 ) 对相变蓄热理论及其数值求解方法做了详细的介绍。 ( 2 ) 参考文献【5 4 】所采用的相变蓄热模型，采用f l 啷t 软件进行模拟，分析液相自 9 山东建筑大学硕士学位论文 然对流对相变过程的影响规律，在考虑自然对流的条件下改变传热流体的进口温度及流 速，分析这些因素对相变过程的液相分数、监测点温度以及固一液界面移动规律的影响， 为相变蓄热系统优化提供依据。 ( 3 ) 在相变蓄热装置中添加翅片，利用f l u e m 软件模拟分析翅片对相变蓄热过程 的影响，并分析翅片高度、翅片厚度的差异以及翅片个数的多少对相变过程的影响。 1 0 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章相变蓄热的理论基础 ，相变蓄热是热能利用的重要方式，以其独特的优点成为了蓄热研究的热点。通过对 相咬传热过程的研究，可以掌握相变过程中固液界面的运动规律，从而为相变蓄热系统 的优化设计提供依据。 本章首先就相交传热的理论分析、数学模型以及求解方法做了简单介绍，最后介绍 了一下模拟软件f l u e m 的特点及求解步骤等。 2 1 相变传热理论分析 f 2 1 1 相变的焓差( 胡) 相变材料在不同相时具有的焓是不同的，这是相变蓄能材料的蓄能本质。热力学中 焓的定义为： 日= u + p 矿( 2 1 ) 焓的微小变化可写成： ，矗日= d u + p d 矿+ k 勿( 2 2 ) 所以由上式可以看出，焓是工质的一个状态参数。热力学能u 是工质本身具有的能 量，推动功是随工质流动而转移的能量，因此焓代表工质流入( 或) 流出开口系时传 入( 或) 传出系统的能量。由于热力工程中的工质经常连续不断的流过热力设备，随着 工质而转移的这部分能量中，取决于工质热力状态的部分是焓，而不是热力学能。 在状态变化的过程中，焓变量为： j l = 心一j i i l = 广砌 ( 2 3 ) 相变是物质的聚集状态发生了变化，通常有固体熔化、液体凝固、气体冷凝和液体 气化等。一般情况下，相变过程是等温等压的，所以相变热是相变过程中初末态的焓差 肼阅，称为相变焓。 一、 焓与温度和压力都有关，但是由于压力对固体、液体和气体的焓的影响都很小，可 以忽略压力的影响，因此相变焓主要受温度的影响。由于焓是状态函数，可以从已知条 件下的相变焓求出相同状态下不同温度压力的相变焓。 山东建筑大学硕士学位论文 似i ，喘擎胛p 等压变温l i 等压交温 ( 7 ，p ) 皇 - 口( r ，p ) t ，p 下相变 龋l _ = 龃l + 龋2 + 龋3 + 胡4 + 龋s a 日= f c p 一( 口) 刀，a 也= 乩( 口一) ，a 也= 一f c ，一( 卢) 刃 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 毗与峨正负相反且远小于崛，所以可以忽略不计，这样可求出： h ：兰a 日。+ q 一( 口) 刀一f c ，一( 卢) 刀 ( 2 6 ) 这种在恒温恒压下发生的可逆相变称为一级相变。还有一类相交，与一级相变不同 的是，在相变过程中矿= o 、胡= 0 ，而热容c 、压缩系数七以及膨胀系数口等有变化， 这类相变称为高级相变。 2 1 2 相图 、 相图是材料的相与温度、组分以及压力的关系图。相图用来描述相变材料的相变特 性【3 6 1 。 相率，是一切相图都应该满足的基本规律。下面看一下单元系的p _ t 相图示例： 图2 1 单元系 图 压变 温 等 l。 炉 仃土 口 压 变温等 山东建筑大学硕士学位论文 图2 1 分为四部分，表示上面的四种相变，这四部分分别为固态l 、固态2 、液态以 及气态存在的部分。在这些单相双变区域内，可以任意更换p 或t ，而图中的直线或曲 线是单变区，两相共存，因此压力和温度这两个变量中只能任意改变一个，其他一个就 跟着定了。 图中d c 和c a 都是升华曲线，a b 是气化曲线，a e 是熔解线。由于固液相变研究 的较多，因此只分析一下熔解线a e 。熔解线代表了压力对固态熔点的影响，熔点可以 随着压力的增大而变化，但这一影响是极其微小的。熔解线a e 略微偏离竖直线，多数 情况下，熔解线偏右，即熔点随着压力的增大而递增，凝固时体积收缩。如果熔解线偏 左，则熔点随着压力的增大而递减，凝固时体积膨胀。熔解线的方程如下： 等2 志 ( 2 7 )二- = 二一 f 7 7l 订r m = ，) 一 其中，是熔解热。 相变材料的相变过程就是熔化和结晶的过程【3 7 1 。 结晶分以下几步：诱发阶段一晶体生长阶段一晶体再生阶段。结晶过程经常会出现 析出、过冷和导热性能差等现象，而熔化过程则无类似不良现象，又由于液态存在自然 对流作用，增大了液态相变材料的有效热导率。因此，在本文中固- 液相变的研究多集中 在熔化过程。 2 1 - 3 相变过程中的自然对流 自然对流是由于相变材料的密度在相变前后有所不同，由于存在密度差，在重力场 的作用下就会引起浮升力，从而产生自然对流现象。多数情况下，温度差引起密度差。 自然对流对相变过程的影响目前还没有明确结论，有的文献称自然对流可以加快相 变材料的熔化却阻碍了其凝固。总之，自然对流决定了相变过程的复杂化，由于温度场 和速度场的同时存在，只有温度场和流场协同才会决定固- 液晁面的形状。 2 2 相变蓄热的数学模型 跟大多数问题相似，对相变蓄热问题的数学描述都包含了近似。相变蓄热过程的控 制方程以连续介质为基础，假定相变材料的每一相是均匀的、各向同性的。根据相变过 程中有无温度变化，可将相变过程分为两种类型：相交过程中有固定的相变温度和明确 的相界面；相变过程发生在一定的温度区间，没有固定的相变温度，在固一液相之间存在 着一个两相区。因此，根据上面的分类，相变传热问题也可以分为两种模型：温度法模 型、焓法模型。 1 3 山东建筑大学硕士学位论文 首先，温度法模型是以温度作为唯一的因变量，在固相区和液相区分别建立能量守 恒方程。而焓法模型则以焓和温度共同作为因变量，不必分区建立控制方程。 图2 2 列出了两类不同的相变过程中，焓变同温度的关系。图中，l 表示有单一相变 温度和明确的相变界面，2 代表相变在一个温度范围内进行，存在两相区。一般对于第 二种情况多采用焓法来计算，这样可以避免移动边界的确定。 图2 2 不同相变过程中焓变同温度的关系 下面给出相变传热问题的数学描述。 对于温度法，固、液相的控制方程分别为d 8 j 9 】： 风巳鲁娟( 把 ( 2 8 ) 只q ( 詈+ v v z ) = v 心v 巧) + 毋 ( 2 9 ) 式中，乃( ，) 为固( 液) 相温度； 见( ，) 为固( 液) 相密度； q ( ，) 为固( 液) 相比热容；屯，) 为固( 液) 相导热系数； g ，j ) 为固( 液) 相体积热源；v 为液相速度矢量；r 为时间。 对于许多实际问题可以不考虑速度场1 ，包括以下两种情况：假定忽略密度变化的 影响，则此时液相只有导热，速度v = o ；固- 液相密