高孔隙率泡沫金属对相变蓄热的强化研究

崔海亭,刘凤青,朱金达,刘 威

(1.河北科技大学机械电子工程学院,河北石家庄 050018;2.麦克斯汽车空调系统有限公司,河北保定 071000)

高孔隙率泡沫金属对相变蓄热的强化研究

崔海亭1,刘凤青1,朱金达1,刘 威2

(1.河北科技大学机械电子工程学院,河北石家庄 050018;2.麦克斯汽车空调系统有限公司,河北保定 071000)

在相变材料中填充高孔隙率泡沫金属能有效改善相变材料的传热性能。主要研究了填充高孔隙率泡沫铝后对石蜡导热系数的影响,利用Fluent及其前处理软件 Gam bit建立模型,并模拟结果。结果显示加入泡沫铝能使温度分布均匀,缩短相变时间,提高储热效率。

工程热物理;储能技术;泡沫金属;相变材料;Fluent

相变蓄热由于储能密度大,温度变化小,能实现稳定的储能和释放能的特征,具有广阔的应用前景。但是相变材料所固有的热导率低的缺点,影响了储能的效果。在强化相变储能方面,国内外学者做了大量理论和实验方面的研究[1-2]。通过在相变材料中添加各种形态的金属、石墨、肋片等措施,强化相变材料的导热系数,从而达到提高相变蓄热效率的目的[3-6]。泡沫金属具有大比表面积和良好的流通性能,使得流体从泡沫金属中通过时有着极大的热交换面积,而且金属材料良好的导热性能使得温度更能均匀地分布,因此泡沫金属是一种优良的强化传热材料。陈振乾等建立了泡沫金属内冻结相变传热过程的数学模型,采用显热容法模拟了泡沫金属内冻结过程的传热过程[7]。程文龙等给出了较通用的高空隙率泡沫金属材料等效导热系数估算公式,并利用准稳态方法建立了复合相变材料在凝固过程的数学模型,对其凝固过程的传热特性进行了理论分析[8]。张涛等介绍了分别采用泡沫铝和泡沫铜的复合相变储热装置,实验表明泡沫金属的添加使得相变储热装置传热性能得到了明显的改善[9]。

石蜡因为优良的性能及较低的价格,作为一种相变材料越来越受到人们的重视。笔者以石蜡为相变材料,通过在石蜡中添加孔隙率为90%的泡沫铝,利用Fluent软件来研究泡沫金属的具体强化蓄热效果。

1 Fluent软件的应用

Fluent是用于计算流体流动和传热问题的程序,是目前国际上比较流行的商用CFD软件包。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能。笔者首先采用Fluent的前处理软件 Gambit进行建模和网格划分,然后导入Fluent,选择求解模型,设置边界条件和初始化条件,设置迭代和控制参数,进行计算。选用 Solidification&M elting模型,相变过程中不考虑湍流的影响,采用非稳态、隐式、分离求解器进行求解[10]。

2 物理模型的建立及求解

2.1 物理模型

图1所示为相变储能装置示意图,该装置长0.2 m,高0.05 m,三面保温,顶部有热流密度为1 000 W·m-2的恒热流。

针对图1所示物理模型,作如下假设。

1)石蜡为各向同性,石蜡熔化后的流体为牛顿流体,且为不可压缩流体。

2)石蜡的相变温度在323～333 K之间。

3)容器底部与侧部均采用保温材料保温,热损失可以忽略不计。

2.2 物理性质参数

石蜡和孔隙率为90%的泡沫铝的物理性质参数如表1所示[11]。

图1 相变储能装置示意图Fig.1 Schematic of phase change energy storage device

表1 石蜡和铝的物理性质Tab.1 Physical p ropertiesof paraffin and aluminium

3 数学模型的建立

3.1 相变区域数学模型

3.2 边界条件和初始条件

1)边界条件

2)初始条件

因为没有热量输入或输出的时候,蓄热器的初始温度为环境温度:

其中:T为蓄热体区域的温度,K;T0为环境温度,K。

4 模拟结果与讨论

笔者主要模拟了蓄热器内加泡沫铝前后温度的分布和液相率的变化,其中温度的分布见图2,液相率的变化见图3。

从图2a)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,上层温度远远高于底层的温度。从图2b)的温度分布可知加入泡沫金属后,石蜡上层和底层存在4℃的温差,固体骨架与相变材料之间由于热导率的不同,必然存在温差,大部分的热量由上层石蜡传递给金属骨架,再由金属骨架传递给底层的石蜡。对比两图可知,加入泡沫铝之后,石蜡上层的温度比纯石蜡低,底层温度高于纯石蜡时的温度。因为在石蜡的上层,石蜡向泡沫铝传热,而在储热装置底部,泡沫铝向石蜡传热,从整体而言,掺入泡沫铝后石蜡的温度分布的更为均匀,有利于相变装置的集热、储能。

对比图3中的两图,由于石蜡顶部有恒定的热流加热,图3a)中顶部石蜡已经完全熔化,但是由于纯石蜡热导率低,底部大部分石蜡尚未进入相变,图3b)中,由于复合相变材料具有高导热系数,热量能很快传到底部的相变材料,所以所有的相变材料此时都已经进入相变。

由图4可知,在相变材料的熔化过程中,加入泡沫铝后,整个区域的温度高于纯石蜡时的温度,但是在3 h左右时,由于加入泡沫铝后,要比纯石蜡时提前进入相变,石蜡相变时要吸收相变潜热,升温比较缓慢,温度略低。由图5可知,一开始,由于顶部有恒热流加热,顶部的纯石蜡很快熔化,但此时底部的石蜡还是处于固态,随着时间的延长,加入泡沫铝后,由于导热系数较高,相变材料都慢慢熔化,最后至完全熔化。从图中可以看出,加入泡沫铝后比纯石蜡完全熔化的时间早1 h左右。

5 结 论

笔者利用Fluent软件模拟了加入孔隙率为90%的泡沫铝前后石蜡的熔化相变过程,通过比较熔化过程中的温度分布和液相率变化,得出了如下结果:高孔隙率的泡沫金属本身具有很高的导热系数,将其作为填充材料加入相变装置中后,在密度和单位体积的相变潜热都改变很小的情况下,可以使复合材料的等效导热系数大大提高,导热系数的提高增强了储能装置各个方向上的传热性能,提高了装置内的温度均匀性,使得热量能迅速被相变材料所吸收,显著改善了相变材料的储热效果,并缩短了相变时间,提高了储热效率[9-11]。

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[2]崔海亭,龚立武.高效能管壳式热交换器的技术进展及应用[J].河北工业科技(Hebei Journal of Industrial Science and Technology),1999,16(3):27-31.

[3]梁 辰,闫全英.相变储能技术的研究和发展[J].建筑节能(Construction Energy Conservation),2007,35(12):41-44.

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[5]侯欣宾,崔海亭.高温相变蓄热在空间太阳能热动力发电系统的应用[J].河北科技大学学报(Journal of Hebei University of Science and Technology),2001,22(2):1-3.

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[10]韩占忠,王 敬,兰小平.Fluent流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2006.

[11]彭冬华,陈振乾,施明恒.泡沫金属内相变材料熔化传热过程的数值模拟[A].中国工程热物理学会学术会议论文[C].郑州:[s.n.],2008.

Enhancement of high porosity metal foam to phase change energy sto rage

CU IHai-ting1,L IU Feng-qing1,ZHU Jin-da1,L IU Wei2
(1.College of Mechanical and Electronic Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China;2.Macs Auto A/C System Company Limited,Baoding Hebei 071000,China)

Filling metal foam in the phase change material(PCM)can imp rove the heat transfer performance effectively.The paper exp lo res chiefly the changement of coefficient of heat conductivity after filling metal foam.The paper creates model and analogue result by making use of Fluent and its fore treatment software Gambit.The result show s that filling metal foam can make temperature distribution homogeneous,shorten the time of phase change,and increase efficiency of energy storage.

engineering thermophysics;energy storage technique;metal foam;phase changematerial;Fluent

TK02;TK124

A

1008-1542(2010)02-0093-04

2009-08-30;

2009-10-20;责任编辑:李 穆

国家自然科学基金资助项目(50876004);河北省自然科学基金资助项目(E2008000700);河北省教育厅科学研究计划项目(2009437)

崔海亭(1964-),男,河北蠡县人,教授,博士,主要从事强化传热与热能动力方面的研究。