圓柱形單元儲熱裝置的蓄熱性能

方桂花，連小剛，張振華，譚 心

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)機械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

0 引言

作為新能源的太陽能資源豐富、分布廣泛、無污染性，并且取之不盡，如何高效地利用太陽能成為研究的主流方向［1］。太陽能存在間歇性和地域性的問題［2-3］，常常會因為晝夜、氣候以及地區(qū)等因素，導(dǎo)致太陽能提供的能量不持續(xù)、不穩(wěn)定，故熱能存儲成為平衡熱能供給和使用的有效方法［4-5］。蓄熱系統(tǒng)可以有效地把熱能儲存起來，供人類隨時的支配使用［6-8］。蓄熱水箱是蓄熱系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一環(huán)，水箱的性能直接影響了蓄熱系統(tǒng)的總效率［9-11］。

孫義文等［12］搭建了一套蓄熱水箱測試平臺，對比分析了不同工況下的蓄熱水箱傳熱特性，研究發(fā)現(xiàn)加入相變材料后能有效使蓄熱水箱總蓄熱量增加。Necdet等［13］通過數(shù)值方法研究了水箱中的設(shè)置阻擋件對水箱溫度分層的影響，發(fā)現(xiàn)設(shè)置阻擋層相比無障礙物而言能提供更好的熱分層效果。王燁等［14］研究了隔板開孔位置與尺寸對蓄熱水箱內(nèi)部熱分層效果的影響，發(fā)現(xiàn)開孔位置對多開孔水箱內(nèi)熱分層影響不大，對水箱蓄熱量影響較大。

本文搭建了基于圓柱形蓄熱單元的儲熱裝置，對蓄熱裝置進(jìn)行實驗分析與數(shù)值模擬。實驗采用控制變量法對不同入口溫度以及流量來研究裝置蓄熱性能，并探討在蓄熱過程中圓柱形蓄熱單元上、中、下部溫度變化過程以及水箱內(nèi)HTF 溫度分布。通過數(shù)值模擬進(jìn)一步分析了不同工況下水箱內(nèi)部相變材料（PCM）熔化過程，為儲熱裝置實際工程應(yīng)用及設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。

1 相變單元及蓄熱水箱結(jié)構(gòu)

相變蓄熱單元為自行封裝制作，圓柱形蓄熱單元目前是應(yīng)用最廣泛的，具有蓄熱量高、體積大、易加工等優(yōu)點［15］。PCM 選擇主材為醋酸鈉的水合鹽類，通過差示掃描量熱法（DSC）和HOT Disk 測量其基本屬性，復(fù)合無機鹽熱物性參數(shù)如下：相變溫度59 ℃，使用溫度范圍＜90 ℃，潛熱量259.64 MJ/kg，密度（固/液）1.377/1.268 kg/L，比熱容2.13/3.27 kJ/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)0.548 6 W/（m·K）。

蓄熱單元外徑80 mm，壁厚2 mm，長350 mm，可容納PCM體積為1 587 760.927 mm3，根據(jù)PCM液態(tài)密度1.268 kg/L，算得當(dāng)PCM 完全熔化時，每個蓄熱單元可容納質(zhì)量為2.01 kg 的PCM。而當(dāng)PCM 完全結(jié)晶為固態(tài)時，根據(jù)固態(tài)密度為1.377 kg/L，可得PCM完全固態(tài)時體積為1 459 694.989 mm3，固態(tài)時PCM的體積占蓄熱單元總體積的91.93%，基本符合PCM膨脹率為8%，因此按照單個相變單元質(zhì)量為2.01 kg進(jìn)行封裝。在9 個相變蓄熱單元中，選取3 個蓄熱單元如圖1 所示，分別布置為上、中、下測點，在圓柱兩端及中間焊接螺紋，分別對接PT100 熱電阻。

圖1 蓄熱單元

本蓄熱水箱外部長490 mm，寬447 mm，高650 mm，進(jìn)水口與出水口內(nèi)徑均為25 mm。內(nèi)部設(shè)有支架和3 層隔板，將水箱內(nèi)9 個相變蓄熱單元均勻分布，每兩個相變單元相隔148 mm，水箱下部進(jìn)水口底部放置一塊均流板，均流板上均勻分布直徑為15 mm的均流孔。水箱外部采用厚度為50 mm 的保溫材料聚氨酯包裹，導(dǎo)熱系數(shù)為0.025 W/（m·k）。水箱內(nèi)外結(jié)構(gòu)實物圖如2 所示。

圖2 蓄熱水箱實物圖

2 實驗測試系統(tǒng)及實驗步驟

性能測試平臺如圖3 所示，主要由蓄熱水箱、鍋爐、變頻泵、緩沖水箱以及測試系統(tǒng)等組成。在探究不同工況下蓄熱實驗時，根據(jù)需要HTF由鍋爐經(jīng)變頻泵流入蓄熱水箱進(jìn)行循環(huán)。實驗采用渦輪流量計觀察入口流量，通過AT4340 溫度巡檢儀采集溫度數(shù)據(jù)，采用PT100 型熱電阻作為溫度傳感器，其精度為±0.15 ℃。

圖3 蓄熱性能測試平臺

（1）前期準(zhǔn)備。將鍋爐內(nèi)水溫加熱至30 ℃，打開管道球閥2、球閥4、球閥5、球閥6，其他球閥關(guān)閉，開啟變頻泵C1 并對節(jié)流閥T1 調(diào)節(jié)流速，使HTF經(jīng)過蓄熱水箱與相變蓄熱單元換熱，同時開啟溫度巡檢儀，直至相變單元不同測點均為30 ℃時，達(dá)到實驗初始條件。

（2）蓄熱實驗。暫時關(guān)閉變頻泵C1，使蓄熱系統(tǒng)停止循環(huán)，加熱鍋爐內(nèi)水溫至實驗所需入口溫度，打開變頻泵使HTF流入蓄熱水箱內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，對蓄熱單元及水箱內(nèi)（上、中、下）共布置12 個測點，數(shù)據(jù)采集頻率每20s保存一次數(shù)據(jù)，所有測點溫度達(dá)到蓄熱溫度時，實驗完成。

3 蓄熱實驗過程分析

3.1 熔化特性分析

圖4 為入口溫度80 ℃，入口流速0.35 m3/h 時，水箱內(nèi)HTF溫度隨時間變化曲線圖。從圖可得，水箱下層溫度增長最快，這是由于水箱下層的熱電阻接近水箱入口處，測點最先接近熱源，而水箱中層和水箱上層溫差較小，而且增長趨勢幾乎一致，這是因為水箱內(nèi)部設(shè)有均流板和隔層板，增強了水箱內(nèi)區(qū)域溫度的均勻分布。

圖4 水箱內(nèi)HTF溫度隨時間變化曲線圖

圖5 為入口溫度80 ℃，入口流量為0.45 m3/h時圓柱形蓄熱單元上、中、下測點的平均溫度變化曲線圖。從圖可以看出，蓄熱過程總體分為3 個階段，初期為固態(tài)顯熱蓄熱階段；中期為潛熱蓄熱階段；后期為液態(tài)顯熱蓄熱階段。另外可以看出蓄熱單元3 層溫度變化趨勢基本一致，這是由于水箱內(nèi)布置均流板和隔層板的作用，能有效地使水箱內(nèi)溫度分布均勻，使HTF與各個蓄熱單元均勻換熱，在蓄熱初期階段，熱量的傳遞交換主要靠HTF 與蓄熱單元接觸導(dǎo)熱，單元下部PCM溫度大于單元中、上部，這是由于熱源在蓄熱水箱中下進(jìn)上出，蓄熱單元下部先接觸源源不斷的熱源，率先進(jìn)行熔化，熔化的蓄熱材料產(chǎn)生的溫差能更快地使局部PCM吸收熱量，故溫度由下至上呈遞減趨勢。

圖5 蓄熱單元上、中、下層PCM溫度隨時間變化曲線圖

3.2 不同工況下蓄熱過程

本文通過控制入口流量0.25 m3/h及入口溫度80℃單一變量來探究蓄熱水箱的蓄熱性能。

從圖6 可以看出，在初始溫度30 ℃下，隨著入口流量的增大，蓄熱時間呈遞減趨勢，當(dāng)入口流量為0.25、0.35、0.45 m3/h 時，水箱內(nèi)PCM 平均溫度分別在12 000、9 200、7 800 s達(dá)到80 ℃，完成蓄熱。

圖6 不同入口流量下PCM溫度隨時間變化曲線圖

從圖7 可以看出，入口溫度為80、85、90 ℃時，水箱內(nèi)PCM平均溫度分別在12 000、7 000、5 400 s時溫度達(dá)到80 ℃。另外可以看出，隨著入口溫度增大，PCM在液態(tài)顯熱升溫階段有明顯提高，這是因為隨著傳熱過程的進(jìn)行，PCM 呈液態(tài)越來越多，入口溫度的增大，會使PCM與HTF溫差增大，有效地增強了自然對流，減少了兩者之間的熱阻，加快了PCM吸收熱量。

圖7 不同入口溫度下PCM溫度隨時間變化曲線圖

4 蓄熱模擬分析

為探究蓄熱過程中蓄熱單元內(nèi)部的具體熔化過程以及液相率變化趨勢，對蓄熱水箱進(jìn)行模型簡化并進(jìn)行數(shù)值模擬計算。根據(jù)蓄熱水箱內(nèi)實際的水位，蓄熱水箱簡化后模型的長、寬、高分別為490、447、520 mm。模型如圖8 所示。

圖8 模擬簡化蓄熱水箱圖

在數(shù)值模擬的過程中，初始條件和邊界條件與實驗過程中均保持一致，通過ICEM CFD 進(jìn)行網(wǎng)格劃分并在Fluent中分別模擬了上述實驗5 種工況。

從圖9 可以看出，在兩種工況下，蓄熱水箱的蓄熱過程趨勢總體一致，但總體蓄熱時間均為模擬快于實驗，這是由于模擬是在理想的條件下進(jìn)行的，而在實驗過程中，熱源HTF 在流經(jīng)管路時會有熱量損失，真實入口溫度往往會低于設(shè)置的溫度，故總蓄熱時間會稍低于模擬過程。但模擬和實驗最大相對偏差不超過5%，故可以說明模擬過程的正確性。

圖9 實驗與模擬對比曲線圖

圖10 與圖11 分別為改變?nèi)肟诹髁颗c改變?nèi)肟跍囟萈CM液相率隨時間變化曲線圖。當(dāng)PCM完全熔化為液態(tài)時，液相率達(dá)到1。由圖10 與圖11 可以看出，隨著入口流量和入口溫度的增大，PCM 完全熔化的時間減短。在保持入口溫度為80 ℃，入口流量為0.25、0.35、0.45 m3/h時，PCM完全熔化時間分別為5 600、4 600、4 200 s。保持入口流量為0.25 m3/h，入口溫度為80、85、90 ℃時，PCM 完全熔化時間分別為5 600、4 800、4 100 s。

圖10 不同入口流量下PCM液相率隨時間變化曲線圖

圖11 不同入口溫度下PCM液相率隨時間變化曲線圖

圖12 為截取2 000 s時各工況下蓄熱單元中PCM液相率云圖，（a）～（c）依次代表改變?nèi)肟诹髁繛?.25、0.35、0.45 m3/h，（d）～（f）分別代表改變?nèi)肟跍囟葹?0、85、90 ℃的工況。從圖可以看出，蓄熱單元下部熔化較快，因為HTF 在水箱中下進(jìn)上出，蓄熱單元下部最先接觸源源不斷的熱源。分別對比云圖12（a）～（c）與云圖（d）～（f）可以發(fā)現(xiàn)，在同一時刻，提高入口流量與入口溫度均可以加快PCM 熔化。這是因為增大流量時加快了水箱內(nèi)HTF的流動性，熱源可以在水箱內(nèi)更快的流通，增強了水箱內(nèi)的自然對流，減小了HTF與PCM 之間的熱阻。而增大入口溫度時，會增大HTF與PCM 的換熱溫差，較高的溫度會增強水箱內(nèi)水流的擾動，從而加快PCM 吸收熱量的速度，從而減少蓄熱時間，提升蓄熱效率。

圖12 2 000 s時各工況下PCM液相率云圖

5 結(jié)論

（1）蓄熱水箱內(nèi)均流板和隔層板使水箱內(nèi)各區(qū)域溫度分布均勻，蓄熱單元均勻受熱，HTF 與各個蓄熱單元同時進(jìn)行能量交換，避免了因受熱不均勻?qū)е翽CM出現(xiàn)死區(qū)的現(xiàn)象，有效提升了裝置的蓄熱效率。

（2）隨著入口流量與入口溫度的增大，裝置總體蓄熱時間不斷減少。其他條件相同時，在入口流量0.25、0.35、0.35 m3/h 工況下，蓄熱時間為12 000、9 200、7 800 s。在入口溫度為80、85、90 ℃工況下，PCM全部達(dá)到80 ℃時間為12 000、7 000、5 400 s。

（3）在模擬對比過程中，其他條件一致時，入口流量0.35、0.45 較0.25 m3/h 工況PCM 熔化時間分別減少14.2%與26.7%。入口溫度85、90 較80 ℃工況PCM熔化時間分別減少17.8%和25%。