圆柱形相变储热器热损失的研究

刘俊峰,马少波

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥　230009)



圆柱形相变储热器热损失的研究

刘俊峰,马少波

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥230009)

摘要:相变储热具有密度高、体积小、质量轻、蓄放热过程中温度波动小等优点,在太阳能热利用、工业余热回收、采暖及空调等领域有着较为广泛的应用。文章建立了相变储热器的三维模型,搭建相变储热实验平台对模型的准确性进行了验证;使用Fluent软件对相变储热器稳态条件的热损失进行了分析,得到热损失系数K与熔盐温度的关系为K=0.000 28t+0.162;对储热器非稳态散热进行了模拟,分析了储热器散热过程,得到了熔盐凝固速度和外部壁面热损失随时间变化的规律。

关键词:储热器;热损失;相变储热;数值模拟

储热技术是一种平衡热量供需和使用的有效手段,能够解决能量的间歇性和不稳定性,它是通过蓄热材料的加热、冷却、凝固、溶化、气化和化学反应等方式来实现热能的储存[1]。按照储热方式的不同有显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热3种[2]。

相变储热技术是一种潜热大的储热技术,在太阳能热利用、工业余热回收、采暖及空调等领域有着较为广泛的应用。人们对蓄热装置的优化做了大量工作,设计了新的结构并对其性能进行实验和模拟,研究影响储热器储、放热的各种因素[3-6]。但是相变储热器研究的重点一直围绕着相变材料(PCM)的性能、相变材料的存储设备以及相变传热的数值模拟研究。

对热力设备的热损失研究人们也做了一些工作[6-14]。但在太阳能热利用工程中,作为中高温储能系统的核心部件——储热装置,其设计时一般按照普通的传热公式进行粗略计算,缺少一定的实验基础和具体的理论分析,往往造成保温材料的浪费或者多余的热损失,增加了系统的成本。

1实验系统及原理

模拟相变储热器工作原理的实验系统如图1所示,其中恒温油箱用于保证进口油温的恒定,可根据设定达到系统实验所需要的恒温要求。

图1　实验系统

相变蓄热介质熔盐的组成为53%的KNO3、40%的NaNO2、7%的NaNO3,熔盐的物性参数见表1所列。

表1　熔岩的物性参数

对储热器内部和外部进行温度监测,监测点位置如图2所示。

图2　温度监测点分布

2热损失理论分析

热力设备的热损失一般可分为保温热损失Q1和其他热损失Q2。

保温热损失是通过保温结构的散热损失。根据传热学的知识,保温热损失可确定为[15]:

其中,R1、R2、R3分别为储热器通过侧面、顶面和底面的传热热阻；h2为储热器内桶高度;d1为储热器保温层外径;d2为储热器内桶直径;α为保温层外表面和环境间的对流和辐射综合换热系数;δ为保温层厚度;λ为保温材料导热系数;Z为传热时间;Δt为相变熔盐与环境的温差。

储热器的其他热损失Q2是不能通过简单计算得到的热损失,为了简化计算,取一热损失系数K,即Q2=KQ1,则Q=(1+K)Q1。由分析可知,对热损失的理论计算关键在于保温结构外表面综合换热系数和热损失系数K的确定。

3模型及模型的验证

相变传热问题包括相的变化与热传导2种物理过程,比单一热传导过程更为复杂,在数学上是一个强非线性问题,解的叠加原理不能使用,相变问题一般只能采用数值方法求解。

3.1物理模型

由于储热器内部传热涉及熔化/凝固、热对流、热传递和辐射换热等各种传热方式,为了简化模型做如下假设:① PCM是均匀、各向同性的;② PCM固液两相比热、导热系数不随温度的变化而变化;③ 考虑到模型比较复杂,忽略自然对流对热损失的影响。

使用ICEMCFD划分非结构化网格,简化后的三维模型如图3所示。

图3　物理模型

3.2Fluent参数设置

先进行稳态计算,即保证进油口的温度和流速不变,研究稳态热损失规律,同时稳态计算的结果可作为非稳态模拟计算的初始条件。

稳态计算:选用3D;稳态求解器求解;开启能量方程和凝固/融化模型;由于传热介质在壳程内的流动均处于湍流状态,因此采用k-ζ湍流模型。边界条件的设置与实验的工况相一致,螺旋盘管进口设置为速度入口,速度大小为1.2 m/s,温度为实验时的进口温度436.15 K(163℃),出口设置为outflow,储热器内壁设定为耦合壁面,侧壁和顶部设定为热对流边界,其传热系数为由实验计算得到的13.79 W/(m·K),由于底部和地面相接触,设为固定温度边界条件,自由流体的温度为室温301.15 K(28℃)。

非稳态模拟计算：选用3D;采用非稳态求解器和Laminar模型;螺旋盘管管壁和储热器内壁均采用热耦合边界条件;其他参数设置和稳态条件下的设置相同。

3.3模型的验证

在稳态传热条件下,实验和模拟的各监测点温度对比见表2所列。由表2可知,稳态条件下模拟和实验的各部位温度误差基本在1.6%之内,考虑实验达到的只是准稳态传热情况,有一定的误差,但是误差很小,可以认为使用Fluent软件能对储热器热损失进行准确模拟。

表2　模拟和实验监测点温度对比　　　　℃

4模拟结果讨论

4.1稳态传热分析

在进油口温度为436.15 K(163℃)、流速为1.2 m/s的状态下,达到稳态散热时,中间竖直平面上相变熔盐的温度云图如图4所示。

从图4可以看出,内部熔盐温度并不均匀一致,有着微小的差别,靠近螺旋盘管的部位温度较高,在四周4个角落以及靠近桶壁部位温度较低,为435.48 K(162.33℃)左右,这主要是螺旋盘管的结构因素以及通过桶壁散失了一部分热量所导致的。

图4　稳态时中间竖直平面温度云图

通过软件的分析计算可以得到在稳态条件下经过壁面的热量损失情况,见表3所列。

表3　通过壁面热损失情况

由表3可以看出,侧面的热损失最为严重,占总热损失的62.19%,但由于侧面面积较大,其单位面积的热损失并不高。通过顶面散失的热量达到了总热损的22.86%,比底面热损高出53%,单位面积热损失高达121.1 W/m2,是底面和侧面的1.53倍,可见储热器顶部热损失比较严重。

设定不同的进口温度,热损失系数将会随着熔盐温度变化而变化,其变化规律如图5所示。

图5　热损失系数随着熔盐温度变化关系

由图5可以看出,热损失系数K随着熔盐温度的增加而增加,表明随着熔盐温度的增加其他热损失Q2的增长程度比保温热损失Q1的增长幅度大,这主要因为在进出口部位附近的热损失增长很快。观察图5可看出,热损失系数K和熔盐的温度t基本成线性关系,拟合成多项式关系为K=0.000 28t+0.162。

4.2非稳态传热分析

为了缩短模拟的时间,设置进口温度为416.15 K(143℃),流速为1.2 m/s,先进行稳态计算,并将稳态计算的结果作为非稳态计算的初始条件。

在散热过程中,不同时刻中间竖直平面的温度场变化如图6所示。

从图6可以看出,相变储热器非稳态散热的温度由内向外逐渐递减,温度减小最大的是在上部靠近盘管的位置,上部热损失比较严重,导致储热器内部高温部位往下移动,而下部与地面相接触,传热热阻大,热损失较少。

图6　中间竖直平面不同时刻温度场变化

凝固过程中熔盐液相率随时间的变化规律如图7所示。

从图7可以看出,在凝固初期,熔盐相变界面移动速度较快,例如在3 h时间内,凝固区域已达到50%。这是因为在初始阶段,传热面积较大,传热热阻小,因而在很短的时间内液相的比例迅速下降;随着熔盐凝固量的增多,液态熔盐隔着一层凝固的介质进行传热,热阻变大,凝固速度降低;随着时间的推移,当到了一定的凝固厚度后,凝固速度基本保持匀速。

凝固过程中外壁面热损失随时间的变化关系如图8所示。

由图8可知,随着时间的推移外壁面热损失逐渐减小,凝固结束后,外壁面热损失减小32.7 W,减小幅度达到34.9%,这主要是因为随着凝固的进行靠近桶壁的熔盐温度降低较快,导致保温层两侧温差变小。

图7　凝固过程中熔盐液相率随时间的变化

图8　外壁面热损失随时间的变化

5结论

(1)本文建立了储热器的三维传热模型,并搭建相变储热实验平台对模型的准确性进行了验证。

(2)对储热器稳态传热进行了分析,得到了外壁的温度分布,并通过计算得到了储热器外壁各部分的热损失比例,发现顶面热损失占总热损失的22.86%,比底面热损高出53%,顶部散热比较严重。

(3)对储热器热损失进行了理论分析,通过模拟得到储热器在不同温度下的热损失系数K,拟合了K与熔盐温度t的关系,K=0.000 28t+0.162。

(4)进行了非稳态散热分析,分析了储热器内部温度和液相率变化,得到了熔盐凝固速度和外部壁面热损失随时间变化的规律,发现凝固过程中螺旋盘管换热器起到了加速凝固的作用。

[参考文献]

[1]何梓年.太阳能热利用[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2009:500-502.

[2]张仁元.相变材料与相变储能技术[M].北京:科学出版社,2009:31-33.

[3]李慧.螺旋管式相变蓄热过程的数值模拟和实验研究[D].天津:天津大学,2012.

[4]Tay N H S,Bruno F,Belusko M.Experimental validation of a CFD model for tubes in a phase change thermal energy storage system[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2012,55(4):574-585.

[5]王华,左承基.几种相变蓄冷材料热物性参数的对比分析[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2012,35(6):748-749，761.

[6]马涛.单元组装式太阳能储热器的Fluent蓄热性能研究[D].合肥:合肥工业大学,2012.

[7]许玉磊,姜平峰,李 林.原油储罐的热损失模拟计算[J].内蒙古石油化工,2008,34(3):81-82.

[8]郭晓峰.基于Fluent软件的储罐温降计算研究[D].大连:大连海事大学,2012.

[9]张森,程伟良,孙东红,等.太阳能供热系统储热水箱散热机理分析研究[J].电网与清洁能源,2010,26(1):73-76.

[10]Oliveski R D C,Krenzinger A,Vielmo H A.Cooling of cylindrical vertical tanks submitted to natural internal convection[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2003,46(11):2015-2026.

[11]Rodriguez I,Castro J,Pérez-Segarra C D,et al.Unsteady numerical simulation of the cooling process of vertical storage tanks under laminar natural convection[J].International Journal of Thermal Sciences,2009,48(4):708-721.

[12]周志培,孙保民.太阳能储热水箱保温计算[J].现代电力,2009,26(5):52-56.

[13]吕传超,李瑛,刘颖,等.热泵热水器蓄热水箱的数值模拟与结构优化[J].流体机械,2014,42(4):76-80.

[14]於慧姝,陆春林,金苏敏.热泵热水器蓄热水箱的漏热损失分析[J].流体机械,2010,38(11):81-84.

[15]杨世铭,陶文轩.传热学[M].北京:高等教育出版社,2006:558-559.

(责任编辑胡亚敏)

Analysis of heat loss on cylindrical phase change thermal storage

LIU Jun-feng,MA Shao-bo

(School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology,Hefei 230009，China)

Abstract:Phase change heat storage has the advantages of high density,small size,light weight and small temperature fluctuation during storage exothermic process,and it has wide application in solar heat,industrial waste heat recovery,heating,air-conditioning and other fields.In this paper,a three-dimensional model of the phase change thermal storage is established,and a phase change thermal storage experiment platform is built to validate the accuracy of the model.The heat loss under the steady-state condition is analyzed by using Fluent software,and the relationship between heat loss coefficient K and the temperature of the molten salt is gotten as follows:K=0.000 28t+0.162.The simulation of the unsteady heat of thermal storage is carried out,the heat dissipation process is analyzed,and the variation law of salt solidification rate and external wall heat loss with time is gotten.

Key words:thermal storage;heat loss;phase change thermal storage;numerical simulation

收稿日期：2015-01-14；修回日期：2015-03-03

基金项目：安徽省科技攻关计划资助项目(1501021006)

作者简介：刘俊峰(1990-),男,安徽安庆人,合肥工业大学硕士生;马少波(1957-),男,安徽合肥人,合肥工业大学高级工程师,硕士生导师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.04.005

中图分类号:TK02

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)04-0457-05