环腔型汽车相变蓄能器蓄能特性研究

高沙沙，秦少达，姚庆伟，陶鹏，牛彩伟（长城汽车股份有限公司，保定071000）

环腔型汽车相变蓄能器蓄能特性研究

高沙沙，秦少达，姚庆伟，陶鹏，牛彩伟
（长城汽车股份有限公司，保定071000）

通过对相变蓄能器的蓄能及相变过程进行了模拟分析，得到了相变材料在蓄能过程中液相分数及温度随时间的变化规律。模拟了不同相变材料初温、不同流体初温、不同工况下相变蓄能器的蓄能情况。得到了冬天和夏天相变蓄热器初始温度不同时，液相率的变化影响不明显，设计的相变蓄能器在40m in左右完成蓄能过程，符合城市生活的一个出行时间。在进口水温为368K时对蓄热最有利，能达到最好的蓄热效果。当进口流速0.113m/s时，此后流速继续增大，蓄热时间已没有明显的变化，这时再通过减小流体与材料间对流换热热阻来加强换热意义不大。

相变蓄能器蓄能不同材料初温不同流体初温不同工况

1 引言

随着人们生活水平的提高，汽车保有量越来越大，汽车能源消耗在总能源消耗中所占的比例越来越高，汽车节能问题越来越受到各国关注。节能已经成为当今世界汽车工业发展的主题之一。汽车消耗的能源主要是石油燃料，而我国是一个石油存储量相对欠缺的国家，目前己成为世界第二大石油进口国。随着我国汽车工业的迅速发展，提高汽车燃料有效利用率和减少环境污染在我国具有更重要的战略意义。研究表明，汽车燃料燃烧释放能量约65%被冷却液和尾气携带散失，浪费极其严重。汽车排放废热是间断的且不稳定的，将这些排气热量贮存起来，在冷启动时迅速释放，以提高发动机机体气缸周边瞬态温升，改善冷启动热氛围，由此引出相变蓄能。

2 相变蓄能器的原理及作用

相变蓄能器利用一些材料相变时伴随吸放热的现象，在不影响内燃机性能的同时，借助相变蓄能技术将冷却液或尾气中的余热暂时储存起来，用以改善发动机冷起动性能，改善车辆的乘坐环境，是一种提升内燃机效能的新思路，对于提高整车的能量利用效率具有一定的意义[1]。相变蓄能器的基本原理如图1所示。相变蓄能器可分为板式、板管式和壳体式蓄能器等[2]，如图2所示。

图1 蓄能控制系统基本组成图

图2 相变蓄能器的分类

3 汽车蓄能器的设计及网格划分

3.1 汽车蓄能器的设计

本课题以一汽大众GOLF 1.6T汽车为研究对象，相变蓄热器在发动机运行过程中蓄存热量，停机后保温一段时间，在汽车再次启动时释放热量，迅速预热室内空间，并在低温时融化挡风玻璃内表面的冰、霜、雾，加热10%的冷却液等。本文基于内燃机冷却循环的余热利用，借助FLUENT软件对环腔型汽车相变蓄能器的蓄能过程及具体的蓄能特性进行了分析[3]。

本文选择Ba(OH)2·8H2O作为相变材料，是因为其导热系数高，相变潜热大，密度大，较小地节约汽车内空间，物理化学性质稳定，但是其有毒需要严格密封[4]。最重要的一点是一般的冷却水经冷却缸套后处于368.15 K，而相变蓄能器的相变温度为348.15 K～351.15 K，即装置工作的温度大于相变材料发生相变的温度，因此相变材料会融化，放出大量的相变潜热，蓄能量较大。此外冷却液为乙二醇和水，混合比例为0.45∶0.55，凝固温度为-35℃，管子材质为铝。

加热空气所需热量较少，忽略不计，PCM放热量Q主要用于溶解冰以及加热冷却液。冬季溶解冰所需热量Q1＝612 kJ，加热冷却液所需热量Q2＝80.33 kJ。由Q＝Q1＋Q2，得到m＝1.9 kg。考虑到保温过程热损失和热交换效率的影响，所以估算PCM质量m＝3.045 kg，PCM体积V＝m/ρ＝3.045/2 180＝0.001 4m3。最终确定相比蓄能器体积不小于0.0014m3。

3.2 模型建立及网格划分

根据上面计算，设计的相变蓄能器如图3所示。对管子1、2、3、4进行结构化网格划分，对2个相变材料PCM1和PCM2进行O型结构化网格划分，对流道进行非结构化网格划分，提升网格质量。将上述七部分利用ICEM软件中的merge功能合并为整体的网格利用五套不同数量的网格，进行了网格无关性验证，从精确性和计算时间两个方面综合确定出了最优的网格数量和网格，共41.93万个网格。

图3 相变蓄能器

4 标况下蓄能情况

4.1 边界条件的设定

对模型的各个边界条件进行设置，进口边界条件采用速度入口边界，设置入口流体的流速和温度；出口边界条件采用自由流出。一共设置了8组interface，均设置为coupled wall，从而确定传热的正常进行；其余的壁面均设置为绝热。

4.2 标准状况下的蓄能情况

物理模型描述：标准工况下，即蓄能器进口处冷却液流速为V＝0.113m/s，发动机冷却液温度为368.15 K，相变材料的初始温度为253.15K。对相变蓄能器的蓄能过程进行模拟，得到其不同时间段相变材料融化过程图，如图4和图5所示。

由图4、图5可知，换热管壁附近最开始出现液相，依次向PCM内部开始融化。PCM1先于PCM2完成相变，原因是在PCM1处的流体速度大于在PCM2处的流体速度，换热迅速；且PCM1体积小于PCM2，因此先完成相变。

由图6可知，通过观察同一时刻不同横截面积上的液相分数图，沿流动方向液相分数逐渐较少，入口段冷却液温度高，传热温差大，相变材料融化较快，出口段冷却液温度低，相变材料融化较慢。

由图7可知，刚开始由于热流体与铝管子温差较大，所以热流体温度迅速由368.15K降为300K。随着铝管子和热流体间的温差减小，换热逐渐变差，导致出口处流体温度迅速升高。直至铝管子和热流体之间温差为0时，管子和热流体之间不再传热，出口流体温度不再变化。

图8为PCM1和PCM2的液相率随时间的变化曲线。从图中可知，PCM1在172 s时开始出现相变，在1 246 s时完成全部的相变；由图8可知，PCM2在194 s时开始出现相变，在2 014 s时完成全部相变。PCM1先于PCM2完成相变，原因是在PCM1处的流体速度大于在PCM2处的流体速度，换热迅速；PCM2体积大于PCM1。

图4 不同时刻时y＝20时液相图

图5 t＝100 s时x＝0速度图

图6 t＝1 000 s时x＝0液相图

图7 出口液体温度随时间变化

图8 PCM 1和PCM 2液相率随时间变化

从图中可见，为额定工况下PCM2液相率随蓄热时间变化曲线。从图中可见，在蓄热熔化的初始阶段，相变速率较快。随着时间进行，液相率曲线越来越平缓，说明熔化越来越慢。这是由于在蓄热初始阶段，固态导热系数大，传热热阻较小，在很短的时间内液相的比例迅速增加。随着液态工质厚度的增加，热量隔着一层熔化的介质进行传递，热阻不断加大；并且液态工质导热系数比固态工质小，因而融化速度逐渐降低。

由图9可知，蓄能过程经过四个明显的蓄热阶段：固态显热蓄热、融化潜热蓄热、液态显热蓄热、蓄能稳定持续等四个显著阶段。液态显热蓄热阶段：铝管子温度与相变材料的温差相距很大，工质温度急剧升高；同时固态显热容量较小，蓄能较快。随后进入潜热蓄能升温阶段：工质温度缓慢升高，潜热蓄能量大，蓄能时间较长。接着是短暂的液态显热蓄能升温阶段，蓄能量小，温升较快；最后是蓄能稳定持续阶段，蓄能终了。且由曲线图还可以看出，固态显热蓄能升温所需时间低于液态显热蓄能，可见，固态相变工质导热性能好于液态。

图9 PCM 1和PCM 2温度随时间变化

图10 不同流体初温下PCM 2液相率变化

图11 不同流体初温下PCM 2温度变化

PCM1和PCM2在2 457 s（40min左右）时完成蓄能过程，符合城市生活的一个车辆出行时间的需求。对比图8和图9，图9中相变段温度基本不变的现象更为明显，主要是PCM2的体积更大，可储存的相变潜热更多。

5 不同条件下的蓄能情况

5.1 不同流体初温条件下的蓄能情况

模拟了三种流体初温分别为353.15、358.15、368.15K三种流体初温蓄能情况，如图10和图11所示。随入口温度增加相变材料熔化的速度越快，说明蓄热流体进口温度越高，蓄热过程进行得越迅速。对于选定的相变材料和蓄热器结构，在汽车相同的运行工况下进口流体温度越高，与相变材料相变温度差越大越有利于换热。蓄热器设计时应考虑，在满足需热量的情况下，针对不同需求选择合适的蓄热时间。对城市汽车行驶状况而言，发动机启停时间间隔一般约为半小时，在此过程中，发动机余热利用系统要完成或即将结束整个蓄热过程。所以在进口水温368.15K（95℃）时对蓄热最有利，蓄热效率最高，而此温度也是发动机运行时冷却液的正常温度，能达到最好的蓄热效果。

5.2 不同PCM初温条件下的蓄能情况

模拟了PCM2材料在253.15 K和293.15 K两种初温条件下的蓄能情况，如图12和图13所示。本文选择253.15 K和293.15 K两种温度，分别模拟了冬天和夏天的蓄能情况。结果表明，相变蓄热器初始温度不同对液相率的变化影响不明显，不同的初始温度情况下相变增加速率一致。但是相变蓄热器初始温度越接近相变温度Tsolidus=348.15 K，固态显热蓄热阶段越短，相变现象发生越早，蓄热过程结束也越早。

5.3 不同流体速度条件下的蓄能情况

在正常行驶过程中，冷却水泵转速与发动机转速比例为1.6∶1，因此汽车运行工况的变化也表现为蓄热器载热流体进口流速的变化。本文分别取怠速、额定功率和最大转速三种工况下，不同流体进口流速0.018、0.113和0.136m/s对蓄能的影响。结果如图14～图16所示。

热流体流速的平方根与平均对流换热系数成正比，不同工况下蓄热器进口流速越大，蓄热体表面对流换热系数就越大。随发动机转速增加，进口流速增加，管子与流体间的对流换热系数增大，对流换热热阻减小，蓄热时间逐渐减少。但减少速率越来越小，当进口流速为0.113m/s（额定工况）时，此后流速继续增大，蓄放热时间已没有明显的变化，这时再通过减小流体与材料间对流换热热阻来加强换热意义不大。增加流速虽然减少了熔化时间，但是随着流速的增加出口温度也随之增加，热量有效利用效率减小；其次流速增加会使流体流动状态发生改变，引起流体流动阻力增加，对冷却水泵性能的要求就越高，而且全部冷却水流经蓄热器，必然造成冷却液热量散失不及时，发动机冷却不足，过热烧损。因此，在满足蓄热要求的情况下，流经蓄热器的流量只有冷却液的10%。汽车在额定功率下运行时可以很好地满足蓄热需求。

图12 不同相变材料初温下PCM 2液相率变化

图13 不同相变材料初温下PCM 2温度变化

图14 不同工况下PCM 2液相率变化

图15 不同工况下PCM 2温度变化

图16 不同工况下出口流体温度变化

6 结论

（1）蓄能过程经过四个明显的蓄热阶段：固态显热蓄热、融化潜热蓄热、液态显热蓄热、蓄能稳定持续等四个显著阶段。相变蓄能器在40min左右完成全部的蓄能过程，符合城市生活的一个出行时间。

（2）随入口温度增加，相变材料熔化的速度就越快，说明蓄热流体进口温度越高，蓄热过程进行得越迅速。所以在进口水温368.15 K时对蓄热最有利，蓄热效率最高，而此温度也是发动机运行时冷却液的正常温度，能达到最好蓄热效果。

（3）选择253.15 K和293.15 K分别模拟冬天和夏天的蓄能情况，结果表明，相变蓄热器初始温度不同对液相率的变化影响不明显，不同的初始温度情况下相变增加速率一致。但是相变蓄热器初始温度越接近相变温度Tsolidus=348.15 K，固态显热蓄热阶段越短，相变现象发生越早，蓄热过程结束得也越早。

（4）不同工况下蓄热器进口流速越大，管子与流体间的对流换热系数增大，对流换热热阻减小，蓄热时间逐渐减少。但减少速率越来越小，当进口流速为0.113m/s（额定功率下）时，此后流速继续增大，蓄放热时间已没有明显的变化，这时再通过减小流体与材料间对流换热热阻来加强换热意义不大。但是随着流速的增加出口温度也随之增加，热量有效利用效率减小；其次流速增加会使流体流动状态发生改变，引起流体流动阻力增加，对冷却水泵性能的要求就越高。

[1]王国华，张帆，张天时等.蓄能球无序分布传热学模型研究[J].热科学与技术，2013（4）：320-323.

[2]牛福新，倪龙，姚杨等.三套管蓄能换热器的蓄热特性研究[J].湖南大学学报(自然科学版)，2011（7）：69-72.

[3]李嘉琪，刁彦华，赵耀华等.新型平板热管相变换热器储放能过程的研究[J].工程热物理学报，2012（11）：1932-1935.

[4]沈斌.相变蓄热换热强化及蓄热器性能实验[D].重庆大学，2009.

Study on Storage CharacteristicsofCavity-type Automobile Phase Change Accumulator

Gao Shasha,Qin Shaoda,Yao Qingwei,Tao Peng,Niu Caiwei
（GreatWallMotor Co.,Ltd.,Baoding071000,China)

By using the FLUENT software,a series of experiments about storage process and melting were performed.The liquid fraction and temperature of Phase ChangeMaterial(PCM)were analyzed by the time.Different PCM initial temperatures,fluid initial temperatures and working conditions of the phase change thermal storage exchangerwere conducted.The results show that,The liquid fraction variation was notapparent in summer and winter.The phase change thermalstorage exchangerwhich the author designed finished the storage process about 40 minutes in accordance with a travel time of city life.368K was the perfect fluid initial temperaturewhich can achieve the best thermal storage effect.The heat storage time of the phase change thermal storage exchangerwas notapparentwhen the fluid initial temperatures increased to 0.113m/s.The decrease of convective heat resistancewillhave no significance on Strengthening the heat transfer.

phase change thermalstorage exchanger,energy storage,differentPCM initial tem peratures,different fluid initial temperatures,differentworking conditions

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.03.006

来稿日期：2017-01-19

高沙沙（1989-），女，本科，主要研究方向为整车热管理。