偏心分形翅片管相变储热单元性能强化模拟.docxVIP

摘要为了探索偏心分形翅片管对相变储热单元性能强化的作用机理，对偏心分形翅片管相变储热单元中石蜡的熔化展开了二维非稳态模拟研究。在考虑自然对流的情况下对比研究了偏心矩形翅片和偏心分形翅片两种储热单元的传热特性。并对偏心分形翅片结构进行了局部强化，选择矩形翅片、Y型翅片和分型翅片3种方案。结果表明，偏心分形翅片结构对自然对流的促进高于偏心矩形翅片结构且整体温度分布更均匀，这与分型翅片可以促进热量由点到面的扩散相符。在3种局部强化方案中，偏心分形翅片强化效果最佳，且整个过程的熔化速率都有提高，使熔化时间缩短了70%。这对管壳式相变蓄热器的性能提升提供了很好的理论指导，进一步扩展了其在储能领域的应用前景。

关键词相变传热；储热单元；分型翅片；局部强化

在能量恢复、太阳能、工业废热和高峰用电领域，热能储存都起着重要作用。它的存储形式有显热储存、潜热储存和化学能储存。其中潜热储能可以提供更高的热能储存密度、更低的储热温度，操作过程绝热和更小的储存空间，是最有效的储能方式之一。但大多数相变材料的热导率都较低，加上相变蓄热装置的布置不合理，导致了整个系统的传热效率降低。在提高相变材料与传热流体间的传热上，国内外研究者针对蓄热器的结构做了许多工作。

吴学红等对相变材料的融化凝固性能进行了实验研究，发现供热管道间翅片和斜翅片的添加改善了蓄热器内部的温度分层，缩短了温度达到均匀化的时间。顾煜炯等对换热器的管束应用不同的排布方式，数值模拟后发现同心圆排列所需的融化时间最短。Bazai等用数值模拟研究了内管直径在不同长宽比下以及内椭圆管在不同角度下的熔化凝固过程，结果显示融化过程中最佳纵横比是?H，最佳角度是90°，凝固过程纵横比影响不显著。Safari等通过实验和数值模拟的方式研究了矩形翅片和分形翅片在不同排列以及组合方式下石蜡完全融化时间的变化。Alnakeeb等用数值模拟对内扁平管双管潜热储存单元在不同长宽比下不同的偏心率对PCM总熔化时间的影响做了研究。Pahamli等得出增大偏心率会提高熔化结束阶段的传热速率和平均温度。Cao等采用实验研究与数值模拟相结合的方法分析了随着Ra的增加，不同偏心率下壳管潜热蓄热装置的时间平均传热系数的变化。Yazici等通过对石蜡的凝固过程进行实验研究得出随着偏心率增加，无论内管向上还是向下偏移，均会使凝固时间增加。Kadivar等对内管进行了径向和轴向偏心，用数值模拟分析了偏心比对熔化特性的影响，用响应面得出了最佳偏心几何形状，使熔化时间快了7倍。Darzi等发现在15min前，同心和偏心熔化速率大致相同，之后同心熔化速率降低，这是由于自然对流的出现。Yagci等用实验方法得出减小翅片的上下长度比后，熔化时间缩短，凝固时间基本不受影响。Kumar等用数值模拟和实验研究分析了储存单元底部环空翅片夹角为60°、120°和180°时，在不同偏心位置的环形内PCM的熔化速率。Mahdi等果表明算术翅片的熔化时间最短，上翅片的熔化时间最长。Zhang等用数值模拟对树状翅片与矩形翅片的充放电性能进行了比较，得出树翅装置减少了完全凝固时间。Sheikholeslami等从放电性能和最大储能两个角度比较了PCM中纳米颗粒分散和添加不同结构的翅片对LHTESS性能的影响。结果表明雪花翅片的放电过程强化效果较纳米颗粒分散强，但并没有减少最大储能容量。李杰通过对树状肋储能换热器的凝固过程进行模拟发现，其释放能速率提高主要在中后期。Sciacovelli等将Y形分支翅片改进为双Y形分支，使放电效率增加了约24%。

以上研究都对蓄热器的结构做了一些改进，偏心结构有助于减缓相变材料熔化过程中上下不均匀现象，增加翅片可以提高相变材料的熔化速率，但是偏心分形翅片结构对相变材料熔化的影响目前还没有研究。为了提高熔化速率，改善熔化不均匀现象，本工作设计了偏心分形翅片结构模型，着重分析了该结构下相变材料的熔化性能；并对该结构下的蓄热单元进行了局部翅片强化，来进一步增强整体的熔化速率，最大化缩短总熔化时间；对其结构下相变材料的熔化过程进行数值模拟，并将模拟结果与偏心矩形翅片模型进行对比以得到最短熔化时间下的最优结构。

1物理模型与数学模型

1.1物理模型

物理模型如图1所示，热流体管道的内管直径D1为50mm，外管直径D0为150mm，管材均为铝。图1(a)为偏心矩形翅片储能单元模型，其结构参数见表1，其中L1代表顶部翅片长度，其余依次按逆时针排序为L2～L5；(b)为偏心分形翅片储能单元模型，其一级分支夹角60°，二级分支夹角30°，内管偏心率均为0.4[E=e(偏心距)/(R0-R1)]，其结构参数见表2，其中L10代表顶部主干翅片长度，L11代表顶部一分支翅片长度，L12代表顶部二分支翅片长度，其余依次按逆时针排序为L2～L3，