高溫不銹鋼肋板式相變蓄熱器蓄放熱性能的數(shù)值模擬

高溫不銹鋼肋板式相變蓄熱器蓄放熱性能的數(shù)值模擬

0高溫相變蓄熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為緩解環(huán)境壓力和新能源利用的重要技術(shù)，太陽(yáng)能熱機(jī)技術(shù)已成為世界研究的熱點(diǎn)。但是由于太陽(yáng)能本身的時(shí)限性和不穩(wěn)定性,使得太陽(yáng)能高溫?zé)岽鎯?chǔ)研究越來(lái)越具有重要意義。相變蓄熱技術(shù)是利用物質(zhì)在發(fā)生相變(固-液、液-氣、固-氣)過(guò)程中,伴隨大量熱能的釋放和吸收,對(duì)不穩(wěn)定、不連續(xù)的能量進(jìn)行充分利用的節(jié)能技術(shù)之一,這種技術(shù)在太陽(yáng)能熱利用、工業(yè)余熱回收、采暖與空調(diào)等節(jié)能領(lǐng)域中有很好的應(yīng)用空間,已成為全世界研究的重點(diǎn)。高溫相變蓄熱器主要有:套管式蓄熱器、板式蓄熱器、螺旋管式蓄熱器、熱管式蓄熱器等。本文針對(duì)太陽(yáng)能高溫?zé)岽鎯?chǔ)釋放時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題,提出了一種新型的高溫相變蓄熱器——不銹鋼肋板式換熱器,該肋板式蓄熱器板間肋片組成蜂窩狀結(jié)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱面積大、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn),具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文將利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法建立其三維熔化與凝固模型,并分析肋片類型、載熱體(HeatTransferFluid,HTF)入口參數(shù)對(duì)蓄熱器蓄/放熱性能的影響。1分散研究的流動(dòng)、加熱模型和邊界條件1.1相變傳熱模擬相變傳熱問(wèn)題包括相的變化和熱傳導(dǎo)兩個(gè)物理過(guò)程,比單一的熱傳導(dǎo)過(guò)程顯得更為復(fù)雜。應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行相變傳熱分析的數(shù)值模擬,目前國(guó)內(nèi)外少有報(bào)道,并且基本上都停留在處理第一類邊界條件和二維模型模擬上,和實(shí)際情況有較大差別。本文利用Fluent軟件中Solidification/Melting模塊建立了三維物理模型,以合成導(dǎo)熱油為載熱體、NaNO3為相變材料(PCM—PhaseChangeMaterial)進(jìn)行相變傳熱模擬,分析了肋片結(jié)構(gòu)、HTF入口參數(shù)對(duì)蓄熱器蓄/放熱性能的影響。Fluent中的Solidification/Melting模塊采用焓法模型,將整個(gè)計(jì)算區(qū)域看成多孔介質(zhì),多孔介質(zhì)的多孔性被聯(lián)合到整個(gè)區(qū)域的每個(gè)單元,用單元中的液相率β來(lái)表示。熔化過(guò)程中,相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài),固相PCM逐漸減少,液相PCM逐漸增加,PCM的液相率也相應(yīng)地從零逐漸增加,當(dāng)PCM完全熔化時(shí),液相率增加到1;凝固過(guò)程則正好相反,當(dāng)PCM完全凝固時(shí),液相率為零。β的定義式為:其中,T—相變蓄熱材料的平均溫度;Tsolidus和Tliquidus——分別是相變蓄熱材料的凝固點(diǎn)和熔點(diǎn)。對(duì)于單一介質(zhì)(Tsolidus=Tliquidus),相變過(guò)程中有固定的固-液界面曲線;對(duì)于非單一介質(zhì),一般情況下,相變過(guò)程中有固-液共存區(qū),該區(qū)域的液相率即為0<β<1。Fluent模型在多孔介質(zhì)的單元中設(shè)置相等的流體阻力。在全凝固區(qū)域,液相率為零,速度也為零。在模糊區(qū)域,由于液相率的減少而造成的動(dòng)量損失為:其中,β——液相率;ε——一個(gè)小于0.0001的常數(shù),以防止分母為零引起震蕩;Amush——糊狀區(qū)域常數(shù),是測(cè)試阻尼振幅的尺度,本文取值為10000;——牽連速度。1.2蓄熱裝置的傳熱和流動(dòng)數(shù)學(xué)模型本文關(guān)于肋板式蓄熱器蓄/放熱特性的研究主要基于湍流的流動(dòng)形式。在忽略體積力的條件下,相應(yīng)的控制方程本文分為兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行分別定義。1.2.1w、td-s計(jì)算1)連續(xù)性方程:其中,ρf——導(dǎo)熱油的密度,kg/m3;u,v,w——速度分量,m/s。2)動(dòng)量方程(標(biāo)準(zhǔn)k-ε):3)能量守恒方程:其中,k——對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K);Tf——熱流體溫度,K;cf——熱流體的定壓比熱,kJ/(kg·K)。1.2.2進(jìn)程phFLUENT中的凝固/熔化模型是以焓為待求變量的,其基本方程形式為:不考慮對(duì)流和內(nèi)熱源的情況下,方程為:(8)其中,H=h+Δh;;ΔH=βL;H——任意時(shí)刻的比焓,kJ/kg;href——基準(zhǔn)焓(初始焓值),kJ/kg;h——顯熱,kJ/kg;ΔH——潛熱比焓,kJ/kg;Tref——基準(zhǔn)溫度(初始溫度),K;L——PCM相變潛熱,kJ/kg;β——液相率;cp——定壓比熱,kJ/(kg·K);ρ——密度,kg/m3;λ——導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);T——蓄熱體任意時(shí)刻溫度,K。1.3儲(chǔ)熱器的幾何模型和邊界條件1.3.1模型的建立與分析本文所研究的蓄放熱過(guò)程:首先將NaNO3灌裝到PCM通道內(nèi)(肋片類型為60JC4002或60DK4002),然后將PCM通道進(jìn)出口封閉使之成為獨(dú)立空間;導(dǎo)熱油從蓄熱器的另外一個(gè)通道(HTF通道)(肋片類型為30JC4002或30DK4002)的進(jìn)口流入在蓄熱器中完成換熱以后經(jīng)出口流出蓄熱器。在此期間低溫固態(tài)的PCM從高溫HTF側(cè)吸收熱量(低溫HTF從高溫液態(tài)的PCM側(cè)吸收熱量)熔化變成液態(tài)(PCM凝固成為固態(tài)),從而完成能量的吸收與釋放,達(dá)到相變蓄能的目的。肋板式蓄熱器的內(nèi)部芯體是由冷、熱流體通道釬焊疊置成蜂窩形狀的結(jié)構(gòu),雖然內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但熱量傳遞和流體流動(dòng)具有明顯的周期性,因此可以建立局部的數(shù)值模型來(lái)反應(yīng)整個(gè)肋片的流動(dòng)與傳熱情況。為便于比較分析,本文選取了具有相同特征參數(shù)的多孔肋片和鋸齒肋片(圖2和圖3),所建模型的寬度為4mm,長(zhǎng)度為60mm,高度為兩層肋片高度(10.38mm)。為了便于模擬分析,本文對(duì)模型進(jìn)行如下假設(shè):①PCM(NaNO3)的材料性質(zhì)是各向同性的;②PCM(NaNO3)的固、液相比熱,導(dǎo)熱系數(shù),密度均為常數(shù),且不隨溫度變化;③PCM(NaNO3)中的傳熱以熱傳導(dǎo)為主,忽略輻射換熱和由于重力引起的自然對(duì)流的影響;④蓄熱器和HTF之間的對(duì)流換熱系數(shù)恒定;⑤載熱體(導(dǎo)熱油)是不可壓縮的,且在通道內(nèi)的流動(dòng)是湍流狀態(tài);⑥蓄熱器與外界絕熱。1.3.2段工況及溫濕度速度入口:給出入口邊界上的速度,設(shè)置輸入量包括進(jìn)口流速和靜溫(考慮能量)。蓄熱器導(dǎo)熱油進(jìn)口流速和進(jìn)口溫度由上段工況及環(huán)境溫度決定,為便于比較分析本文將兩個(gè)模型設(shè)定相同的進(jìn)口流速和溫度。出口為充分發(fā)展的流動(dòng),定義為outflow。相變蓄熱器上下表面(wall)絕熱。模型兩側(cè)設(shè)為對(duì)稱性邊界條件。載熱體和相變區(qū)的換熱面為耦合邊(coupled),耦合邊界形式為溫度連續(xù):其中,f——載熱體區(qū)域;p——相變區(qū)域。具體邊界條件見(jiàn)圖2、圖3。2不同材料和肋片溫度對(duì)蓄熱器蓄/放熱特性的影響蓄熱器的蓄/放熱速度(釋放和吸收熱量的速度)是判斷蓄熱器性能好壞的唯一標(biāo)準(zhǔn),為了優(yōu)化該新型蓄熱器的蓄/放熱特性,本文從肋片類型以及HTF的入口參數(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行相關(guān)研究。主要研究?jī)?nèi)容包括:鋸齒肋片和多孔肋片對(duì)蓄熱器蓄/放熱特性的影響;HTF入口溫度對(duì)蓄熱器中PCM熔化速度的影響;HTF入口溫度對(duì)蓄熱器中PCM凝固速度的影響;HTF入口速度對(duì)蓄熱器中PCM熔化速度的影響以及HTF入口速度對(duì)蓄熱器中PCM凝固速度的影響;比較不同肋片類型對(duì)蓄熱器不同蓄放熱特性的影響。為了便于比較分析,在模擬中,在熔化過(guò)程中賦予相變材料和肋片的初始溫度為571K;在凝固過(guò)程中賦予相變材料和肋片的初始溫度為585K。2.1不同入口溫度對(duì)蓄熱器蓄熱特性的影響本文在進(jìn)行蓄熱計(jì)算時(shí),分析了在HTF的入口溫度為585、590、595、600、605K,入口速度為1、1.25、1.5、1.75、2m/s,配對(duì)參數(shù)下的蓄熱器的蓄熱特性。本文比較了HTF入口速度為1m/s,入口溫度分別為585、590、595、600、605K時(shí)蓄熱器的蓄熱時(shí)間(圖4);HTF入口溫度為600K、入口速度分別為1、1.25、1.5、1.75、2m/s時(shí)蓄熱器的蓄熱時(shí)間(圖5)。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),在相同的入口參數(shù)下,采用多孔肋片比采用鋸齒肋片的熔化時(shí)間短;且在入口速度相同的情況下,隨著傳熱溫差的增加這種時(shí)間上的相對(duì)差距呈增大趨勢(shì);在相同的傳熱溫差條件下,二者時(shí)間上的差距隨著入口速度的增加逐漸變小。2.2入口速度對(duì)蓄熱器放熱特性的影響本文在進(jìn)行放熱計(jì)算時(shí),分析了在HTF的入口速度為1m/s,入口溫度分別為551、556、561、566、571K時(shí),蓄熱器的放熱時(shí)間(圖6);在HTF的入口溫度為556K,入口速度分別為1、1.25、1.5、1.75、2m/s時(shí),蓄熱器的放熱時(shí)間(圖7)。將兩種肋片對(duì)蓄熱器的放熱特性的影響進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)在相同的入口參數(shù)下,采用多孔肋片的完全放熱時(shí)間較采用鋸齒肋片時(shí)要短;且在相同的入口速度情況下,二者時(shí)間上的相對(duì)差距隨著傳熱溫差的增加逐漸變大;在相同的傳熱溫差條件下,二者時(shí)間上的差距隨著入口速度的增加逐漸變小。2.3競(jìng)爭(zhēng)條件下hrt-pcm直直斷網(wǎng)絡(luò)注射本文發(fā)現(xiàn)無(wú)論何種類型的肋片蓄熱器,在蓄熱過(guò)程中,隨著HTF入口溫度的增加PCM完全熔化的時(shí)間也越來(lái)越短,且在溫度由585K增加到595K時(shí)的時(shí)間縮短較為明顯(圖4);在HTF入口溫度固定的情況下,隨著HTF入口速度的增大,PCM完全熔化的時(shí)間越短(熔化速度越快);反之,PCM完全熔化的時(shí)間越長(zhǎng)。但這種趨勢(shì)并不是均勻變化的(圖5)。2.4入口速度差的或入口速度本文研究表明在蓄熱過(guò)程中,隨著HTF入口溫度的減少(傳熱溫差的增大)、入口速度的增加,PCM完全凝固的時(shí)間也越來(lái)越短,這種趨勢(shì)也不是均勻變化的;在溫度由556K減小到551K、速度由1～1.25m/s時(shí),凝固時(shí)間縮短的趨勢(shì)尤為明顯。2.5主要的凝固時(shí)間本文所講的相同傳熱參數(shù)是指HTF的入口溫度與PCM主體的溫差及HTF的入口速度相同,綜合比較圖4與圖6、圖5與圖7,發(fā)現(xiàn)在傳熱參數(shù)相同的情況下,兩種肋片結(jié)構(gòu)形式的蓄熱器的完全凝固時(shí)間均明顯短于完全熔化時(shí)間,說(shuō)明該蓄熱器的放熱速度明顯大于蓄熱速度。2.6pcm區(qū)域的溫度分布本文在研究肋片強(qiáng)化傳熱特性時(shí),考慮到肋片結(jié)構(gòu)的周期性和蓄熱放熱過(guò)程的相似性,只截取了鋸齒肋片在HTF的入口參數(shù)為V=1m/s、T=556K,傳熱時(shí)間為8s時(shí)PCM區(qū)域的溫度分布圖(圖8)。從圖中可以發(fā)現(xiàn),在垂直于肋片的界面上具有明顯的溫度差異:HTF入口區(qū)域的PCM較出口區(qū)域的溫度低(凝固速度較快);同時(shí),靠近肋片區(qū)域的溫度較遠(yuǎn)離肋片區(qū)域的溫度要低(凝固速度明顯比其他區(qū)域要快)。說(shuō)明了肋片在肋板式蓄熱器中的強(qiáng)化傳熱效果十分明顯。3不同入口參數(shù)對(duì)該新型肋板式蓄熱器蓄/放熱特性的影響1)相對(duì)高溫肋板式相變蓄熱器而言,多孔肋片的強(qiáng)化傳熱特性明顯優(yōu)于鋸齒肋片的強(qiáng)化傳熱特性,使用多孔肋片的高溫相變蓄熱器的蓄/放熱性能明顯強(qiáng)于使用鋸齒肋片的蓄熱器;2)隨著HTF入口速度及PCM主體溫度的差值的增加,PCM發(fā)生相變的速度越快,但這種變化趨勢(shì)是非均勻的;3)分析結(jié)果表明,在HTF的入口速度與PCM主體溫度的差值相同的條件下,蓄熱器的放熱