多排管相变蓄热器内填充石蜡石蜡膨胀石墨复合材料的数值模拟

多排管相变蓄热器内填充石蜡石蜡膨胀石墨复合材料的数值模拟

1相变蓄热装置这种储热方式利用了高蓄热密度、体积变化小、储热能力强、储热过程的温度几乎相同，蓄热过程容易于控制和管理，因此成为最具潜力的储热方法。在各种相变材料中,石蜡因具有化学性质稳定、无毒、无腐蚀性,无过冷和析出现象,相变潜热较高等优点而成为常用的蓄热材料,但是这类材料的热传导率却很低,从而在一定程度上限制了它的应用。为改善相变材料导热能力差的缺点,通常采取的措施是将相变材料加入在高孔隙率的多孔介质中、在相变材料中安置金属结构、在相变材料中分散高导热颗粒以及添加具有高导热率、低密度的填充材料等,由此来提高蓄热系统的蓄、放热的速率,达到强化相变蓄热装置热性能的目的,但均存在结构复杂、制造工艺难度大、生产成本高等缺点[1~5]。周素娟等研究了套管型蓄热装置中填充月桂酸作为PCM,在热泵热水器中的应用时的模型,通过分析建立数学模型,在Fluent软件中进行模型求解。根据数值结果,对温度场、液相场、热流密度的变化规律作了分析。杨灵艳等建立了3套管相变蓄能换热器的数学模型,针对液态相变材料层引入了有效热导率,模拟稳态下传热温度场。本文结合前人的工作,提出了一种多排管式蓄热器,由28根不锈钢管焊接成一个整体,其内部构成热媒体水的通道,而外部的长方体形箱体则用来封装相变材料石蜡,即相变材料封装在管子与箱体之间的空间,可与管子表面充分接触,增大传热面积,进口管及出口管穿过箱体与28根内部管子连接,利用FLUENT软件,对这一多排管式相变蓄热器内分别填装石蜡和石蜡/膨胀石墨复合材料时的熔化过程进行了数值模拟研究,分析了多排管蓄热器内填充两种相变材料时蓄放热过程中温度场的分布情况、相界面移动规律等,为多排管式相变蓄热器的设计及优化提供参考依据。2相变材料通放电整理蓄热装置是由28根换热管和一个立方形箱体组成,如图1所示。每根管的长度为300mm,外径为20mm,厚度1.5mm,28根管子相灌互通,形成热媒体水通道。外面箱体长宽各400mm,高500mm,各面均绝热,用来封装相变材料。在管子和箱体之间充装相变材料,填充时分为2种情况:一种是只填充纯石蜡,另一种是将10%的膨胀石墨添加在石蜡中形成复合相变材料,以提高其导热能力。进口管及出口管穿过箱体与28根内部管子连接,流动的热媒体水给相变材料加热或冷却,箱体各面均绝热。模型建立后,利用GAMBIT中网格划分工具采用四面体单元类型进行网格划分,如图2所示。3数学模型3.1流域数学模型式中u,v,w———速度分量,m/s式中p———压强,Pa(3)能量公式式中k———对流换热系数,W/(m·K)Tf———热流体温度,Kcf———定压比热容,kJ/(kg·K)3.2采样区域数学模型FLUENT的凝固/熔化模型是以焓为待求变量,其基本方程形式为:式中ρ———密度,kg/m34复合材料模型的建立在FLUENT中进行模型的边界条件设置及各物质物性参数设置。热流体入口:给出入口边界上的速度,设置输入量包括进口流速和静温,热流体进口速度为0.2m/s,进口温度为348K。自由出流:对于出流边界上的压力和速度均为未知的情形,选择自由出流边界。热媒体与蓄热体的换热面为耦合边界。石蜡及复合相变材料的物性参数见表1,其设置在FLUENT中的材料面板进行。设置好所有参数后,就可以用FLUENT求解器对模型进行数值求解。在迭代的过程中,可随时查看设置的各个监视器,迭代计算完成后,可通过FLUENT后处理查看结果。5膨胀石墨在不同温度下的流变特性监测点处位于整体蓄热器中心处PCM处,图3是熔化过程中该点PCM区平均温度随时间变化的曲线,图4为该点PCM区平均液相率随时间变化的曲线。由这两个图可以看到整个过程的温度和液相率变化趋势。从图3可知,过程开始阶段,PCM区均为固态导热过程,温度不断升高,且上升速率较快,液相率为零。由图4可知,经过一段时间的固态导热PCM开始熔化,PCM区域的温度基本保持在熔点温度附近不变,待整个相变材料区域全部融化,即整个PCM区域的液相率达到1.0,之后温度又开始升高,但是温度上升的速度却比融化前慢,因为PCM完全变为液体后导热系数变小,最后整个区域的温度与外界热空气同温,达到热平衡。为分析熔化相变过程中不同时刻蓄热器中不同位置的温度分布,分别截取了x=0mm,x=93mm,x=186mm,x=28mm4个平行平面,即蓄热器四排换热管的中心面。由于篇幅所限,本文只分析x=186mm平面的温度场的变化过程,图5为蓄热器内所截取的x=186mm平面内温度场随时间变化的过程。为进行说明,选取了t=8000s和t=15000s两个时间点。t=8000s时,整个蓄热器内的相变材料已熔化了30%,即整个PCM区的液相率达到了0.3,t=15000s时,相变材料区的液相率为0.6左右。由图5可见,开始阶段,等温线沿着管壁分布,这是因为石蜡接近高温的热流体外管壁,邻近的部分达到熔化温度,并开始熔化,随着时间延长,等温线开始逐渐向管壁外面扩散。随着石蜡熔化的越来越多,筒体内各点的温度差逐渐减小,筒体内的温度场趋于均匀,温度与加热壁面的温度接近。由于蓄热器内管子的排列方式以及进出口的分布和流体水的流动特点,位于中间两排的管子内水流速度较小,其周围石蜡的熔化较慢且不均匀。图6为纯石蜡熔化过程液相率分布,等液相率线的变化和等温线的变化相似,随着时间推移,沿着管壁的等液相率线开始逐渐向管壁周围扩散,PCM相变区域扩大了,传热更迅速。随着液相石蜡的增多,对流替代热传导,成为主要传导方式。加热初期,靠近加热壁面的石蜡先熔化,此时的液相区域很小。随时间延长,液相区域逐渐变大,直至最后石蜡完全熔化,液相区域会充满整个相变区域。由温度曲线图和云图可以看出,由于纯石蜡自身的导热系数较低,导致其熔化和凝固过程都非常缓慢,相变所需时间很长,这在很大程度上降低了蓄热系统的效率,因此需要采取强化措施来提高换热效率。本研究通过添加10%膨胀石墨形成复合相变材料来提高石蜡基相变材料的导热性能,以减小石蜡内的导热热阻,虽然膨胀石墨的加入会在一定程度上降低石蜡相变材料的相变潜热,但影响并不大,而对整个系统的热效率提高却起到了明显作用。模拟计算时加入膨胀石墨后的物性参数见文献[4,8~11],图7是加入膨胀石墨后熔化过程中PCM区平均温度随时间变化的曲线,图8为PCM区平均液相率随时间变化的曲线。与图3和4相比,整个过程的温度和液相率变化趋势大体相似。但曲线在每一阶段的斜率却不同,也就是说石蜡在加入膨胀石墨后每阶段的传热速率与原来不同不同的,从图中可以看出有了明显上升。图9为加入膨胀石墨后蓄热器内温度场随时间变化的情况,为与没加膨胀石墨前进行对比,选取了t=4000s和t=7000s2个时刻点,此时蓄热器内整个相变材料区域的液相率也为0.3和0.6左右。从这些图中可以看出:蓄热器内相变材料达到同一液相率,加入石墨后所用熔化时间为加入前所用时间的50%,可见石墨对石蜡的传热提高有很大作用,是一种有效的强化传热措施。对比图5的温度分布可知,由于纯石蜡的热导率低,导致石蜡温度分布不均匀,靠近换热管的温度远远高于靠近箱体内壁的温度。加入膨胀石墨后,石蜡在整个蓄热器内温差都有缩小,并且这种温差缩小的趋势一致保持到了最后,这是因为膨胀石墨的加入大大提高了固态和液态石蜡的导热系数。加入膨胀石墨后,石蜡的熔化顺序依然是靠近换热管壁的最先熔化,远离换热管壁的最后熔化,但是这种趋势不如加石墨前明显。在熔化快要结束时,温度又开始上升,但上升的速度没有熔化前快,说明膨胀石墨对石蜡的固态和液态传热都有提高作用,但固态石蜡的导热系数仍然大于液态石蜡的导热系数。图10为加热温度为348K时蓄热器内各面液相率随时间变化的情况。与图6对比可发现,等液相率线的变化和等温线的变化相似,加入膨胀石墨后石蜡的熔化依然受到热媒体水流动的情况的影响,在中间两排管子周围的熔化情况较慢,在第1排管子和第4排管子周围熔化最快,尤其在第1排处温差最大。加热初期,靠近加热壁面的石蜡先熔化,此时的液相区域很小。随时间延长,沿着管壁的等液相率线开始逐渐向管壁周围扩散,液相区域逐渐变大,直至最后石蜡完全熔化,液相区域会充满整个蓄热器。6石蜡/膨胀石墨复合材料的温度场本文建立了多排管相变蓄热器的数学模型和物理模型,通过数值模拟结果分析了多排管蓄热器内填充纯石蜡及石蜡/膨胀石墨复合材料时蓄热过程中温度场的分布情况。模拟结果表明多排管结构和膨胀石墨的添加大大缩短了蓄热器的蓄热时间,蓄热器内相变材料达到同一液相率,加入石墨后所用熔化时间仅为加入前所用时间的5