肋片增强式梯级相变储热系统放热特性的三维数值.docxVIP

摘要?梯级相变储热技术已被证明是解决相变材料导热性能差的重要方法。已有的关于梯级相变储热系统的数值研究通常是基于一维或二维数学模型完成的，大部分的研究聚焦于系统的储热过程。本工作设计了一种肋片增强型三管式梯级相变储能系统，并建立了三维数值模型。然后研究了系统放热过程中各级PCM的性能变化规律，探究了传热流体进口温度和PCM初始温度对系统放热速率的影响规律。结果表明，在放热过程中，各级PCM相变不会同时发生，受到储热材料的相变温度和潜热的影响最大。传热流体进口流速的增大会提高相变材料的放热速率，但随着流速的进一步增加，放热速率的提高程度明显减弱。相变材料的初始温度对显热放热过程具有一定的影响，但对于潜热放热阶段影响较小。

关键词?梯级相变储热；肋片；储热器；数值模拟

梯级相变传热技术按照“温度对口，梯级利用”的原则，将相变温度不同的相变材料在吸/放热过程中按相变温度降/升序的方式进行排布。在相变蓄热过程中，放热流体的温度沿流动方向减少，而相变蓄热材料的熔点温度也在阶梯降低，保证相对恒定的温度差，以提高整体的储/放热效率。科技工作者对梯级相变储热系统进行了大量的数值研究，目的主要是证实具有多个PCM的梯级相变储热系统比具有单个PCM的相变储热系统具有更好的热性能。传统的物理模型包括板式换热器、管式换热器、圆柱形同心换热器。为了进一步体现梯级相变储热技术在蓄热方面的优势，学者们开发了创新的物理模型。在低温和高温领域提出了PCM胶囊填充床系统。开发了低温范围内的截锥形和锥形换热器。事实证明，与传统的圆柱形梯级相变储热单元相比，锥形模型在传热效率和储能方面具有优势。在必威体育精装版的研究中，提出了一种带有梯级PCM胶囊的新型旋转再生热交换器。该模型旨在解决燃煤电厂的泄漏、热变形和堵塞问题。已经开发和验证了不同物理模型的数学模型。该系统通常被简化为一维或二维模型。1996年，提出了复合PCM板的有限元相变热传导模型。数值结果表明，与单一PCM相比，使用不同熔点的复合PCM可以大大提高充电和放电倍率。对于使用多个PCM的管壳式潜热蓄热单元，开发了基于焓的数学模型。已有的关于梯级相变储热系统的数值研究通常是通过建立一维或二维数学模型完成的，很难真实反映储热器结构对系统性能的强化作用。

此外，大部分的学者注重对PCM储热过程的热性能进行研究，而实际上由于PCM在放热过程中热传导占主导作用，相比于储热过程具有更低的传热速率，应当对梯级相变储热系统的放热过程开展研究。本工作创新性地设计了一种肋片增强型三管式梯级相变储能系统，并建立了三维数值模型，研究系统放热过程中各级PCM的性能变化规律，探究传热流体进口温度和PCM初始温度对系统放热速率的影响规律，为强化梯级相变储热系统传热的设计优化提供指导。

1数值模型建立与实验验证

1.1物理模型

选取月桂酸、石蜡和硬脂酸作为梯级相变储能系统的PCM，具体的物性参数在前期已发表的文献中。设计一种梯级相变储能系统，由三级串联的肋片增强型三管式储热器构成。储热器的结构如图1所示，内管和外管为传热流体(HTF)，中管为封装PCM的腔体，矩形肋片与内外管道均匀连接。为了使得传热流体与PCM换热时达到稳定流动状态，在储热器的两端设置了密封盖，几何参数如表1所示。

图1???相变储热器结构示意图

表1???相变储热器物理模型的具体几何尺寸参数

建立了三维仿真物理模型，考虑到物理模型结构较为复杂且存在多域计算，采用非结构化混合型网格，内外直肋片和相变区域做加密处理保证计算结果更加准确，对各类边界和几何体进行命名，边界层设置为5层平滑过渡，网格增长率为1.2，过渡比为0.2。此外，相同区域的接触面进行组合处理，便于后期FLUENT求解器中边界条件的耦合设置。梯级相变储热系统物理模型和网格结构如图2所示。

图2???梯级相变储热系统物理模型和网格结构

1.2数学模型

对三维传热模型做出了下列假设：①相变材料热物性参数始终保持不变；②相变材料密度采用Boussinesq假设，考虑浮升力作用；③忽略系统的黏性耗散；④储热器外壁面被认为绝热，忽略系统的热损失。求解区域可以分为传热流体区域和相变材料区域，两个控制区域内的流动传热受质量守恒、动量守恒以及能量守恒三大定律共同作用。方程的具体形式如下所示。（1）传热流体区域连续性方程

(1)

动量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

式中：v分别为在x，y，z方向上的速度分量，m/s；μf为热流体运动黏度，Pa·s；λf为传热流体导热系数，W/(m·K)；Cpf为热流体定压比热容，J/(kg·K)；ρf为热流体密度，kg/m3；T为储热器内热流体温度，K。（2）相变材料区域对于凝固/熔化问题，动量守恒方程为：

(4)

式中，S为源项，代表动量的损失，可定义为：

(5)

式中，ε