文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123516
管壳式组合相变蓄热单元热性能
数值研究
王慧儒,刘振宇,吴慧英基金项目:国家973课题(2012CB720404),上海优秀学术带头人计划(11XD1403100)
(上海交通大学机械与动力工程学院,工程热物理研究所,上海 200240)
(Tel: 021-34205299, E-mail: ******@sjtu.)
摘要:采用焓法对管壳式相变蓄热单元热性能进行数值研究,分析了应用一种、三种、五种、九种不同相变材料的相变蓄热单元对高温流体出口温度、低温流体出口温度、蓄热材料相变速率的影响,显示了相变材料不同位置液相率的变化,讨论了组合相变材料对液相率差及相变时间的影响。研究结果表明:采用组合相变材料可以提高相变速率,有效地调节蓄热单元液相率与相变时间的均匀性,减小液相率的差值,保证流体出口温度的稳定性。
关键词:焓法;液相率;组合相变材料;均匀等速相变
1. 引言
目前相变材料(Phase Change Material,简称PCM)在热能存储中的应用已经非常广泛,如太阳能利用、建筑保温、电厂负荷调节、工业废热余热回收等领域。其原理为利用材料相变过程中的潜热进行热量的存储与释放,具有蓄热密度大、储能效率高、温度波动小的优点[1]。
1986年Fraid[2]首次提出了在热能存储单元中应用两种或两种以上不同相变温度的相变材料,可以增加其传热速率。随后Fraid 和Kanzawa [3,4]数值模拟了三种相变温度分别为60℃、50℃、40℃的组合相变材料,并进行了实验验证,结果表明应用组合相变蓄热材料可以提高热能存储系统的热效率与传热速率。Wang[5]提出了“均匀等速相变”的概念,即具有恒定储热与放热速率的相变储热系统,研究了第一类边界条件下热源与冷源间组合相变材料相变温度的理想表达式,并进行了数值与实验分析。Fang[6]对管壳式相变蓄热单元中填充三种相变材料进行研究,通过改变三种材料的相变温度及在系统中所占的比例,研究流体出口温度、液相率、蓄热量的变化趋势,指出在采用多种相变材料的系统中,如何选取相变温度及材料的比例是至关重要的。Qarnia[7] 对应用两种相变材料的管壳式蓄热单元进行了数值模拟,考察了流体进口温度、质量流率、两种相变材料在蓄热单元中的比例对蓄传热性能的影响。He[8]以正十八烷为相变蓄热材料,研究了进口边界条件对相变界面、液相率以及蓄传热性能的影响。
已有文献较多针对两种或三种相变材料的组合相变蓄热单元进行研究,本文以间歇性高温气相余热资源回收为背景,以管壳式相变蓄热单元为考察对象,分别对一
种、三种、五种、九种不同相变材料的组合相变蓄热单元进行数值模拟,并对高温、低温流体出口温度、蓄热单元的平均液相率、径向平均液相率随轴向及时间的变化、液相率差以及相变时间分别进行了比较分析。
2. 物理模型及数学描述
物理模型
本文计算模型为管壳式相变蓄热单元,如图1所示,蓄热与放热过程流体交替流经管内。高温流体从左端流入,蓄热单元经一段时间蓄热后,高温流体停止流动,低温流体从右端流入,蓄热单元进行放热,如此反复进行蓄热放热过程。采用Na2CO3(56%)-Li2CO3(44%)混合熔盐作为相变蓄热材料,其物性参数[9]见表1。
PCM