蓄熱電采暖結(jié)構(gòu)模擬研究

康佳瑩　杜瑞　祝藝丹　王春青

【摘??要】相變蓄熱層是相變蓄熱電采暖結(jié)構(gòu)的核心層，蓄熱層中的儲能材料以顯熱或相變的方式吸收，當(dāng)一定的時間溫度降到相變點，通過交換介質(zhì)以導(dǎo)熱、對流和輻射的方式將儲存的熱量釋放給熱用戶。本實驗將探究相變熱過程中的理論蓄熱、散熱，先在GAMBIT軟件中進(jìn)行幾何建模，網(wǎng)格劃分，邊界設(shè)定，完成模擬前處理。運(yùn)用Fluent軟件模擬蓄熱層為純石蠟微膠囊、蓄熱層為泡沫金屬銅/石蠟微膠囊復(fù)合相變材料的蓄熱過程。結(jié)果表明，蓄熱層中添加泡沫金屬銅與石蠟微膠囊，強(qiáng)化了傳熱效果，解決了石蠟微膠囊導(dǎo)熱率低的問題。與純石蠟微膠囊對比，加快了相變響應(yīng)時間，同時，導(dǎo)熱效果更加明顯。

【關(guān)鍵詞】電采暖;石蠟微膠囊;泡沫銅;蓄放熱性能;FLUENT

引言

在當(dāng)今高度轉(zhuǎn)變的工業(yè)，和物質(zhì)發(fā)展的基礎(chǔ)上。能源的使用與人類社會的歷史發(fā)展密切相關(guān)，特別是在當(dāng)今社會中，工業(yè)化和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展正在穩(wěn)步發(fā)展，能源日益影響著人類生產(chǎn)和生活的各個方面。在當(dāng)今世界，全球化，經(jīng)濟(jì)，能源和環(huán)境的步伐已密不可分。在“三北地區(qū)”，近年來風(fēng)電過剩[1]，電力需求降低，因此棄風(fēng)現(xiàn)象比較嚴(yán)重。為了響應(yīng)國家政策，改變冬季采暖地區(qū)煤燃燒造成的環(huán)境污染問題，同時提高風(fēng)電利用率，電采暖作為一種新型的采暖方式出現(xiàn)在了人們的面前。相對于傳統(tǒng)供暖，目前采用的直供式電采暖耗電量太高，加重了用戶的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和電力的負(fù)荷，為了解決這一問題，可以利用峰谷電價，將相變蓄熱材料加入電采暖模塊中進(jìn)行間歇供熱[2]。本文將具有蓄熱功能的石蠟微膠囊與具有導(dǎo)熱功能的泡沫金屬銅相結(jié)合，制成一種新型的電采暖蓄熱模塊，研究泡沫金屬銅對電采暖模塊的蓄放熱性能的影響。本文依據(jù)有限差分法，利用Fluent軟件對非線性邊界條件下各層材料與尺寸不同的實驗結(jié)構(gòu)的二維穩(wěn)態(tài)傳熱問題做了數(shù)值模擬分析。

一、相變蓄熱電采暖結(jié)構(gòu)模擬研究

1.1?模擬材料的選取

為了提高熱舒適性能，使房間內(nèi)的溫度分布均勻，李國建等人搭建了一個房間，用相變溫度為44℃的石蠟作為蓄熱材料，建立電加熱相變蓄熱電熱地板采暖系統(tǒng)，能夠有效的實現(xiàn)削峰填谷[3]。考慮到石蠟在相變過程中液化滲漏的問題比較嚴(yán)重，本文選擇將其封裝起來的石蠟微膠囊進(jìn)行試驗。因為石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，為了減少蓄熱時間以及增加電的導(dǎo)熱性能，陳華等人將比例為1：3的泡沫銅和石蠟混合，有效的提高了石蠟的相變速率，減少了相變時間，解決了靠近熱源處的過熱現(xiàn)象以及遠(yuǎn)離熱源處的不熔現(xiàn)象[4]。

1.2?幾何模型的建立

首先在電采暖蓄熱模塊的幾何模型，在圖1中，四周是保溫層，內(nèi)部結(jié)構(gòu)上面是水泥砂漿找平層，下面是相變蓄熱層。模擬一共分為兩組，其一是相變層內(nèi)只有石蠟微膠囊，其二是孔隙率為95%+石蠟微膠囊。

圖1?相變蓄熱電采暖結(jié)構(gòu)Gambit幾何模型

FIG.1?Gambit?geometric?model?of?phase-change?thermoelectric?thermal?heating?structure

之后，將網(wǎng)格劃分為熱源，石蠟區(qū)域，泥灰區(qū)域，每個區(qū)域使用四面體網(wǎng)格，將熱源區(qū)域的單位網(wǎng)格大小設(shè)置為0.5，石蠟區(qū)域和泥灰區(qū)域的網(wǎng)格大小設(shè)置為1。

1.3?模型參數(shù)及假設(shè)

為了方便使用Fluent進(jìn)行計算，設(shè)置了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了以下假設(shè)：

（1）假設(shè)石蠟和泡沫銅各向同性。

（2）滿足Boussinesq假設(shè)的牛頓流體，在內(nèi)部材料中熔化石蠟后沒有被壓縮。

（3）在石蠟和泡沫銅的每個步驟中，性能參數(shù)不會因溫度上升和下降而改變。

1.4?數(shù)學(xué)模型

二、模擬結(jié)果分析

2.1?石蠟微膠囊相變材料模擬結(jié)果

為了比較泡沫銅/石蠟微膠囊復(fù)合相變材料的傳熱性能，首先分析了純石蠟微膠囊相變材料的相變傳熱的數(shù)值模擬結(jié)果。熱源的表面溫度為70°C（343.5K），環(huán)境溫度為17°C（290.5K），儲熱層的溫度為17°C（290.5K），結(jié)構(gòu)的上表面溫度為17°C（290.5K）在圖2（1）、2（2）和2（3）中顯示了在500s，1000s和8000s加熱過程中獲得的溫度分布云圖。

（1）t=500s溫度云圖????????（2）t=1000s溫度云圖???????（3）t=8000s溫度云圖

圖（1）顯示了加熱時間為500秒時的溫度云圖。這可以認(rèn)為是加熱的初始階段。觀察云圖，可以看出熱量以傳導(dǎo)的方式傳導(dǎo)至泥層的頂部和熱源的底部。在熱源下傳遞至儲熱層的熱量不是關(guān)鍵的。如圖2（2）所示，隨著時間的流逝，在t=1000秒時，熱量繼續(xù)升高，泥漿層的溫度持續(xù)升高，圖像向側(cè)面擴(kuò)散。仔細(xì)觀察熱源下方儲熱層的溫度變化。向下的傳熱是基于加熱電纜的，并由周圍的蓄熱層組成，傳熱效果略顯明顯，但未達(dá)到相變溫度，并且尚未開始相變蓄熱過程。當(dāng)加熱時間到達(dá)t=8000s時，溫度變化如圖2（3）所示。通過灰泥層的熱傳遞，結(jié)構(gòu)表面的溫度達(dá)到約40℃。已達(dá)到與熱源接觸的下部儲熱層的溫度。一旦達(dá)到了相變的優(yōu)勢，便開始熔化（液相），并存儲相變的潛熱，在t=8000?s時，蓄熱層中的石蠟微膠囊未達(dá)到溫度且未完全熔化。

（1）t=500s溫度分布圖?????（2）t=1000s溫度分布圖????（3）t=8000s溫度分布圖

2.2?泡沫銅/石蠟微膠囊復(fù)合相變材料模擬結(jié)果

儲熱層中充滿了帶有石蠟微膠囊粉末的泡沫金屬銅孔，因此Fluent的計算比純石蠟微膠囊還多。本節(jié)主要通過結(jié)構(gòu)中溫度場的時變云圖和結(jié)構(gòu)上表面的溫度-時間變化曲線以及儲熱層其他位置來獲得泡沫銅對相變儲熱和傳熱過程的影響。泡沫銅/石蠟微膠囊復(fù)合相變材料的數(shù)值模擬與上述石蠟微膠囊模擬條件的數(shù)值模擬相同。

如圖4（1）所示，t=500s時，是模擬的初始階段，可以清楚的看出靠近熱源的石蠟微膠囊開始相變，進(jìn)行相交變換。隨著實驗地進(jìn)行，在t=1000秒處，在圖4（2）中的蓄熱層周圍的溫度沿加熱電纜的方向遞增，并且在相變?nèi)刍瘏^(qū)以較低的速率膨脹。隨著溫度持續(xù)升高，如果t=8000s，溫度將隨著時間變化，如圖4（3）所示。結(jié)構(gòu)的表面溫度在約38°C。較時間為1000s時溫度明顯升高，其中大部分達(dá)到了相變溫度。

與純石蠟微膠囊的相變過程相比，可以看出，泡沫金屬銅顯著提高了石蠟微膠囊的導(dǎo)熱性，并在石蠟微膠囊的相變儲熱過程中均勻地加熱了儲熱層。

（1）t=500s溫度云圖???????（2）t=1000s溫度云圖??????（3）t=8000s溫度云圖

由圖可以看出，與僅包含石蠟微囊的蓄熱層的結(jié)構(gòu)表面和蓄熱層的溫度分布相比，添加泡沫金屬銅可以起到加強(qiáng)傳熱效果以及均勻熱量的效果，提高了相變材料石蠟微膠囊的導(dǎo)熱效率，使復(fù)合相變材料的蓄熱傳熱性能達(dá)到頂峰。

（1）t=500s溫度分布圖?????（2）t=1000s溫度分布圖???（3）t=8000s溫度分布圖

三、結(jié)論

在GAMBIT軟件中，執(zhí)行幾何建模，網(wǎng)格分割和邊界設(shè)置以完成預(yù)模擬過程，而Fluent用于建立能量計算模型，通過分析以上圖片，得出以下結(jié)論：

（1）只有石蠟微膠囊的蓄熱層在加熱的初始階段，僅在靠近熱源的一小塊區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生相變，溫度上升較快，其他區(qū)域的溫度變化不明顯，相變響應(yīng)時間也較慢。且熱量向上傳遞較多，向下較少。

（2）在加入泡沫銅的相變層中，相變實踐不僅大大縮減，而且提高了傳熱效果，石蠟微膠囊導(dǎo)熱系數(shù)低的問題得到有效解決。

（3）泡沫銅作為支撐體，不僅增強(qiáng)了向蓄熱層的熱傳遞，而且還起到均勻熱量的作用。同時，除了一些受熱不利的區(qū)域之外，蓄熱層相變區(qū)域的面積比較大。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈常艷.由《重點區(qū)域風(fēng)電消納監(jiān)管報告》引發(fā)的風(fēng)電行業(yè)全景思考[J].電器工業(yè)，2012（09）：2-5.

[2]徐嘉一，李占新.儲能式電采暖技術(shù)——集中供熱的有效補(bǔ)充方式[J].中國資源綜合利用，2019，37（09）：99-101.

[3]李國建，馮國會，朱能，胡艷軍.新型相變儲能電熱地板采暖系統(tǒng)[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006（02）：294-298.

[4]陳華，柳秀麗，楊亞星.泡沫銅對相變蓄熱系統(tǒng)蓄熱性能影響的實驗研究[J].熱科學(xué)與技術(shù)，2019，18（03）：228-233.

作者簡介：

康佳瑩，（1993～），女，漢，吉林省吉林市，碩士。

基金項目：

吉林省教育廳“十三五”科技項目（JJKH20180602KJ）。

（作者單位：1吉林建筑大學(xué);2吉林建筑科技學(xué)院）