太阳能相变蓄热

1、管壳式相变蓄热数值模拟娄载强 孟朋 陈清文 贾国亮摘要：对方形槽内水平圆管外伴有对流的相变传热问题建立数学模型及其定解条件，通过fluent模拟给出温度场和固液相界面随时间的变化情况，最后分析了不同管壁温度对温度场和相变的影响。关键词: 相变传热 ；fluent模拟；温度场；管壁温度The Numerical Simulation of Latent Heat Storage Problem around TubeAbstract：The mathematical model for phase change heat transfer around a horizontal tube in

2、a rectangular groove,which is validated by experimental data,and its boundary conditions have been developed.The changes of temperature field around the tube and solid-liquid interface with time,as well as the effect of wall temperature are presented with fluent simulation.Key words: phase changehea

3、t transfer;fluent simulation;temperature field;wall temperature1引言能源及环境问题成为当前人类发展中最重要的两个问题，能源日趋紧张，使用化石能源带来环境污染，这些促使人们对新能源利用产生强烈需求。以太阳能、风能为代表的新能源具有清洁、可再生等优点，对人类的可持续发展有重要的意义。但新能源一般都有间歇性和不稳定性等缺点，在应用中与需求方在时间和空间上往往存在不匹配的问题，这使其大规模应用受到了严重地限制，能量储存是缓解这个问题的关键技术，其中热能是能源转化和利用中最重要的形式，所以研究高效的蓄热技术具有非常重要的地位。管壳式相变蓄热

4、器，这种蓄热器形式特点是单位体积内填充相变材料量大、热损失小，且技术最为成熟，所以在工程应用中大量使用。管壳式相变蓄热器通过流经管内的换热流体与管外的相变材料进行换热，并利用相变材料的熔化和凝固进行相变蓄热，所以对管外相变材料相变过程的研究具有很重要的意义。很多学者对这个问题进行了研究1-2。Anica Trp3,4分析了工业级石蜡在一个圆柱壳内熔化和凝固的瞬态传热现象。建立的数学模型可以处理熔化和凝固过程。结果显示，操作条件和几何尺寸参数的选择由所需要的传热率和蓄、放热时间决定，这些参数必须要仔细选择，才能达到优化蓄热装置热性能的目的。邹得球5对一种余热相变石蜡储热过程进行了数值研究。考虑熔

5、化过程中液相的自然对流情况,建立了矩形腔内石蜡熔化过程的数学模型,并利用该模型进行了数值模拟,分析了石蜡熔化过程中的温度场变化、流场变化、相界面移动情况。孔巧玲，马捷6研究了相变过程的理论基础，并用fluent软件计算了不同直径的相变过程，考虑自然对流与不考虑自然对流对相变过程的影响。吴斌7通过对管壳式换热器中加入相变材料，建立了二维模型并进行了相变蓄热实验。2问题描述及数学模型对方形槽内水平圆管外环形区域的相变传热问题进行了数值研究。假设管内的换热流体在轴向没有温度变化，把三维问题转换为二维问题，建立数学模型并进行数值求解，给出环形区域内相变材料的温度场和固液相界面随时间的变化情况，分析了不

6、同壁面温度对温度场和相变过程的影响。2.1数学模型如图1所示蓄热槽中心有一根水平圆管，管外放置有相变材料，管内有换热流体（水）流动，与管外的相变材料进行换热。蓄热时，热水从圆管内流过，把热量传给管外的相变材料，相变材料初始为固态，受热后逐渐熔化，等到相变材料完全熔化后，蓄热过程就完成了。放热时，管内有冷水流动，把热量从管外的相变材料中带走，相变材料初始为液态，受冷后逐渐凝固，待到完全凝固后，放热过程便结束了。图1蓄热槽示意图图2蓄热槽截面图为方便分析，作以下假设：（1）相变材料各向同性；（2）液态相变材料为牛顿流体，流动为二维、非稳态、层流、不可压流动；（3）相变材料的物性参数不随温度变化，只

7、在考虑浮升力作用时密度随温度变化，即采用 Boussinesq 假设；（4）管壁温度保持恒定；（5）管壁材料为金属，导热系数很高，其热阻忽略不计；（6）蓄热槽没有漏热损失，即蓄热槽上下左右表面绝热。相变传热问题可以采用焓法求解。焓法以相变材料的焓和温度共同作为求解变量，无须分区建立控制方程，对包括固相区、液相区及糊状区在内的整个区域建立统一的守恒方程，求出焓的分布后，由已知的焓与温度的关系式求得节点的温度值。由此，可得控制方程为：质量方程： （1）动量方程：（2） （3）能量方程： （4）式中: 密度，kg/m3；导热系数，W/m·；动力粘度，kg/m·s；比热，kJ/kg

8、·k；uxx方向速度，m/s；uyy方向速度，m/s；t时间，s。H比焓，H = h+Lf，kJ/kg；h显热，kJ/kg；href 参考温度下的比焓，kJ/kg；L相变潜热, kJ/kg。Su 、Sv 和Sh 分别是 x、y方向的动量源项和能量源项。液相率 f 定义为： （5）式中： T 温度，；Tl 熔化温度，；Ts 凝固温度，。动量方程源项： （6）（7）能量方程源项： （8）2.2 边界及初始条件圆管壁面温度保持恒定，蓄热槽各表面都是绝热表面：上、下、左、右四个壁面： （9）初始时相变材料各处温度均匀一致，即 （10）2.3 相变材料的选择及物性石蜡具有相变潜热高、化学稳定性

9、好及成本低等优点，所以选择石蜡作为相变材料，其物性参数列于表1 中。表1石蜡物性参数3 计算方法与网格划分计算区域为蓄热槽横截面，截面为正方形，边长为 10cm，圆管直径为 2cm。利用 Fluent 软件对数学模型进行求解，采用三角形单元网格对计算区域进行划分，为得到网格独立解，经过反复调试与比较，网格单元数取为 23616 个。计算中，能量方程采用二阶迎风差分格式，压力项采用 Presto 格式，压力速度耦合项采用 Simple 算法。速度项、压力项、能量项和液相率的松弛因子分别取为0.3、0.1、1 和 0.9。时间步长取 0.02s，每一步的最大迭代步数为 20。4结果与分析不同壁温下

10、熔化过程分析：下图是管壁温度为 60、55和 50时，石蜡熔化过程的固液相图。管壁温度为60图3管壁温度分别为60、55、50时，石蜡熔化过程的固液相图结论分析：一系列固液相图中，我们可以更直观地了解管外石蜡的熔化过程。在 60和 55两种管壁温度下，圆管上部区域的石蜡快速地熔化，形状类似于燃烧的火焰，其液相区很快占据了圆管的正上方，并向两侧扩展开来，逐渐达到方形槽的两个侧面，形成碗状，然后继续向下方扩展，但当圆管侧面的石蜡熔化之后，其熔化速度变得缓慢，因为圆管下部的区域是导热区，使石蜡熔化需要耗费很长的时间；而壁温为 50时，石蜡的相变过程与前两种情况不同，此时其熔化过程非常缓慢，圆管上部也

11、产生了微弱的自然对流，但到 400分钟时还没能使圆管上部 2#测点处的石蜡熔化，而圆管侧面和下部区域石蜡熔化的就更为缓慢。这些说明石蜡相变过程随管壁温度不是线性变化的，管壁温度从 50升高到 55和从 55上升 60时，虽然同样升高了 5，但它们相变过程的差别程度不同，管壁温度从 50升高到 55时，石蜡相变过程的差别更明显。参考文献：1 Hirata T, Nishida K. An analysis of heat transfer using equivalent thermal conductivity of liquid phase during melting inside an

12、isothermally heated horizontal cylinder. Heat Mass Transfer, 1989, 32(9): 166316702 Velraj R, Seeniraj RV, Hafner B, et al. Heat transfer enhancement in a latent heat storage system. Solar Energy, 1999, 65(3): 1711803 Trp A. An experimental and numerical investigation of heat transfer duringtechnica

13、l grade paraffin melting and solidification in a shell-and-tube latent thermal energy storage unit. Solar Energy, 2005, 79: 648660.4 Trp A, Lenic K, Frankovic B. Analysis of the influence of operating conditions and geometric parameters on heat transfer in water-paraffin shell-and-tube latent thermal energy storage unit. Internationa