适合于密闭壳体应用的储热系统研究

张斌，杨楠，张霖，李翀，宋以国，张龙旺

（1.中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司，天津 300000；2.哈尔滨工程大学，哈尔滨 150000）

0 引言

面临能源危机，我们应该长期坚持节能降耗，提高能源利用率。相变储热技术能够解决热能供求关系在时间、空间或强度上不相匹配的矛盾。相变材料（Phase Change Material，即PCM）是相变储热技术的关键，可以在特定温度范围内实现相变（如固态到液态的熔化或液态到固态的凝固），在发生相变时能够吸收/释放热量（贮存能量/释放能量），从而减小温度的波动幅度，有效降低能源消耗，最大限度地提高系统的能源利用率，且所用装置具有体积小、质量轻、装置简单、容易控制的优点，广泛应用于热量储存与温度控制领域[1-9]。

根据PCM化学组分的不同，可分为有机PCM和无机PCM，其中芒硝和石蜡是应用非常广泛的有机类PCM。芒硝是一种无色结晶体，具有良好的相变特性和热容量，在太阳能热能储存、温室调节、空调系统等领域得到广泛应用。石蜡是一种由长链烷烃组成的混合物，通常具有低成本、良好的可用性和较高的相变潜热，使其成为广泛应用于建筑、电子设备、食品保温、太阳能集热器等领域的热储存材料。绝热保温材料可以分为复合绝热材料、有机绝热材料及无机绝热材料。玻璃纤维的导热系数低、隔热特性好，具有良好的耐候性，能够抵抗紫外线辐射、湿气、氧化和腐蚀等环境影响，是一种无毒、无害、可回收利用的环保材料。尼龙的导热系数低，也是性能很好的隔热材料。玻璃纤维和尼龙在隔热、保温和节能领域中起到重要作用，为提高能源效率和减少热能损失提供了有效的解决方案[10-15]。

本文利用ANSYS软件分析环形结构密闭壳体储热装置内部随外界温度变化发生的温度波动情况，分析芒硝和石蜡等储热材料以及尼龙和玻璃纤维等隔热材料对储热装置内部温度变化的影响，分析隔热层对减小储热装置内部温度波动幅度的作用。

1 有限元模型建立

1.1 网格划分

环形结构密闭壳体储热装置的几何模型如图1所示，深灰色部分为密闭壳体储热材料，浅灰色部分为厚度10 mm的隔热材料。

图1 储热装置的几何模型

确定密闭壳体和隔热材料的单元类型均为Solid70热分析单元，Solid70单元是由六面体八节点组成的体单元，可用于三维稳态或瞬态热分析。

本文通过在密闭壳体内外表面采用隔热材料来降低储热装置内部的温度变化速率。影响隔热材料性能的主要参数为导热系数，导热系数低，材料受热后能够极大地阻碍热量的传递。与热分析直接相关的材料参数主要有导热系数、比热容等，性能参数如表1所示。

表1 材料性能参数

网格划分的质量不好可能导致计算不收敛，也直接影响模拟计算的速度与计算精度。要避免出现不合适的网格单元，如过于粗糙或过于细化、形状失真、过于扩散或过于狭窄、网格不匹配等，要选择适合的网格划分尺寸和方式。与其他单元类型相比，Solid70单元需要更密集的网格以获得更准确的结果。对于环形结构的密闭壳体储热装置可以采用扫略网格划分，生成六面体网格，并设置合适大小的网格单元，得到分布均匀、质量更好的网格，如图2所示。

图2 储热装置的网格划分

1.2 热分析类型与边界条件设置

利用ANSYS软件进行热分析时，需要确定热分析类型和初始条件、边界条件。本文计算储热装置随时间变化的温度场，同时温度载荷也是随时间变化的，因此采用瞬态热分析。稳态热分析中时间通常用于计数模拟的步骤或迭代次数，瞬态热分析中时间用于模拟热传导过程中温度随时间而发生变化的动态过程，可以根据时间步长和边界条件的变化规律，得到不同时间点上的材料内部温度分布。

采用Solid70单元进行热分析时，需要定义边界条件、初始条件和材料参数等，这些参数的设置将影响结果的准确性和模拟的可靠性。初始条件定义系统在开始时的热状态，即在时间t=0时整个系统的内外温度。本文设置分析开始时，系统所具有的初始温度为室温20 ℃（293.15 K）。

在热分析中，边界温度是物体表面或边界上指定的温度，本文定义物体表面暴露于特定环境中的温度为边界温度。随着储热装置所处的外界环境温度在-40～60 ℃范围内匀速升高或降低，装置内部温度随之发生波动。本文在储热装置的上表面和圆周外表面施加温度载荷。如图3所示，温度随时间变化的函数如下：

图3 储热装置的温度载荷

式中：Ts为表面温度载荷，℃；α为升温/降温速率，设定值为1 ℃/min；t为温度载荷作用时间，min；T0为初始温度值，设定值为20 ℃。

在求解前，打开自动时间步长，使程序能够自动调节时间步长；打开线性搜索，提供可靠、有效的求解设置；根据储热装置外部环境温度的变化，指定温度载荷为递增载荷；为了更容易收敛和避免发散，设置足够大的载荷步数。

2 模拟结果分析

2.1 温度场分析

根据瞬态热分析计算结果，观察储热装置外界的温度变化对其内部温度分布的影响。图4所示为芒硝密闭壳体，内外表面为玻璃纤维隔热层的储热装置在不同温度条件下的温度场云图，图中下方的不同颜色代表不同的温度区间和储热装置各个区域的温度分布的情况。外界温度在10 h内经过以下的波动过程：首先由初始温度20℃升高至60 ℃，升温速率为1 ℃/min，在60 ℃保温2 h后降温至－40 ℃，降温速率为1 ℃/min，并保温2 h，最后以1℃/min的速率再次升温至60 ℃，并保温2 h，如图6中浅灰色线条所示。

图4（a）中储热装置外表面的温度随外界温度由20 ℃升高到60 ℃，而内部温度仍保持在20 ℃；由图4（b）和图4（c）可以看出，当外界温度保温2 h后再降至－40 ℃时，储热装置外表面的温度随之降至－40 ℃，而内部温度基本保持在24 ℃左右；在－40 ℃保温2 h后，图4（d）中储热装置的内部温度基本在16 ℃左右；外界温度继续升高至60 ℃时，储热装置外表面温度随之升高至60 ℃，而内部的最低温度在11 ℃左右，如图4（e）所示。总体来看，外界在－40～60 ℃温度范围内波动过程中，储热装置内部的温度变化较小。

2.2 储热装置内部的温度波动分析

在储热装置内外表面各选取一节点，如图5所示。在ANSYS软件中进行时间-历程后处理，绘制所选节点的温度随时间变化的曲线图，可以更直观地查看和比较装置内部随外界温度变化而发生温度波动的情况，如图6所示，图中深灰线条表示装置外表面节点的温度变化曲线，浅灰色线条表示装置内表面节点的温度波动曲线。

图5 选取的储热装置内外表面节点位置

可以看出，储热装置的内部温度随外界温度的变化而发生波动，装置内外表面存在一定的温度差，但装置内部温度的变化速率明显小于外界温度的变化速率，表明隔热层对热量的传递有阻碍作用。外界在-40～60 ℃温度范围内波动的过程中，采用芒硝的密闭壳体内部的温度波动大，在10 620 s温度升至最高46.9 ℃，在24 060 s温度降至最低-18.2 ℃，存在约65 ℃的温差，如图6（a）所示。内外表面采用10 mm尼龙隔热层后，达到最高温度40.6 ℃和最低温度-7.5 ℃的时间延长，分别在11 520 s和24 060 s，温差降至48 ℃，如图6（b）所示，表明尼龙的隔热效果较好。内外表面同样采用10 mm尼龙隔热层，密闭壳体为石蜡的装置内部温度变化与芒硝接近，分别在11 220 s和24 900 s达到最高温度42.9 ℃和最低温度-11.5 ℃，温差在54.4 ℃略有升高，如图6（c）所示。内外表面采用10 mm玻璃纤维隔热层，密闭壳体为芒硝的装置内部温度波动最小，在14 340 s温度升至最高27.7 ℃，在28 800 s温度降至最低12.2℃，仅有约15.5 ℃的温差，如图6（d）所示。玻璃纤维隔热层具有很好的隔热效果。

由图6（d）还可以看出，外界温度由20 ℃升至60 ℃时，装置内温度也为20 ℃，与外界温度基本一致。外界在60 ℃保温后，装置内温度升至24.9 ℃，升温速率为2.45 ℃/h。在外界由60 ℃降温至－40 ℃的过程中，在降温的开始阶段，装置内温度仍在上升，在14 340 s温度升至最高27.7 ℃，随后装置内的温度虽有下降，但是幅度很小。外界温度降至－40 ℃时，装置内温度在27.4 ℃。外界继续在－40 ℃保温2 h后，装置内温度继续下降至18.1 ℃，降温速率为4.65 ℃/h。外界温度从－40 ℃上升到60 ℃，在开始阶段，装置内温度仍有下降，在28 800 s温度降至最低12.2 ℃，随后温度上升，并在60 ℃保温2 h后升温至18.5 ℃。

材料的导热系数低，导致热量在材料中的传递效率降低，受热或冷却时的温度变化缓慢，最高或最低温度也会受到限制；同时热损失减少，在一定程度上保持温度的稳定性，减少能量的浪费。材料的比热容低，对热量的吸收相对较少，导致在高温环境中升温慢；同样地，在低温环境中，低比热容的材料释放出的热量也相对较少，导致降温过程较慢。

3 结论

本文利用ANSYS软件对环形结构密闭壳体的储热装置内部温度变化情况进行了研究，分析了密闭壳体与隔热层的材料对储热装置隔热性能的影响。根据计算结果可以看出，采用文中所述结构，外界在10 h内温度波动区间为－40～60 ℃的变化过程中，装置内的温度随之发生变化，但装置内部温度与外界温度始终未达到一致，存在一定的温度差，隔热层能明显阻碍热量的传递，使装置内的温度变化速率变慢。在相同的外界温度变化条件下，采用玻璃纤维隔热层，装置内的温度变化速率和波动幅度都明显降低，即采用芒硝密闭壳体，内外表面为玻璃纤维隔热层的储热装置的储热性能更好。