螺旋凹槽相變球蓄熱效率仿真與研究

方桂花，張 偉，劉殿賀，于孟歡

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

1 引言

余熱是很重要的可利用資源之一［1］。將熱能有效的儲(chǔ)存起來(lái)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候取出使用，緩解了供、需雙方在時(shí)間、地域和強(qiáng)度等方面的關(guān)系［2］。在很大程度上提高了能源的利用率。例如，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中增加了相變蓄熱儲(chǔ)能單元可以降低不穩(wěn)定熱源帶來(lái)的消極影響。實(shí)現(xiàn)了削峰填谷的效果［3］。提高了整個(gè)系統(tǒng)的利用率。

因相變材料可在相變溫度范圍內(nèi)用潛熱形式儲(chǔ)備大量的熱量［4-6］，所以相變水箱具有體積小、蓄熱量大、蓄熱穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但相變蓄熱存在的普遍性問(wèn)題就是相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，嚴(yán)重制約了相變材料與熱源之間的換熱效率。文獻(xiàn)［7］采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了等溫加熱條件下添加不同高度環(huán)形翅片時(shí)球形容器內(nèi)的約束熔化傳熱過(guò)程，發(fā)現(xiàn)添加環(huán)形翅片顯著加快了球形容器的儲(chǔ)熱速率。文獻(xiàn)［8］對(duì)球形膠囊內(nèi)翅片的熔化過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)膠囊內(nèi)添加翅片增大傳熱效率，且隨著翅片長(zhǎng)度的增大，膠囊內(nèi)溫度分布均勻化。施娟［9］等人研究了多孔泡沫金屬對(duì)蓄冰球內(nèi)流體凍結(jié)傳熱過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)蓄冰球內(nèi)多孔泡沫金屬能有效強(qiáng)化蓄冰球內(nèi)流體凍結(jié)傳熱。

上述研究都是通過(guò)增強(qiáng)球內(nèi)區(qū)域?qū)岬姆绞絹?lái)提高蓄熱效率。均未研究蓄熱單元表面結(jié)構(gòu)對(duì)蓄熱效率的影響。用數(shù)值模擬的方法以傳統(tǒng)球形相變單元為基礎(chǔ)，對(duì)其蓄熱過(guò)程進(jìn)行了模擬，研究分析了傳統(tǒng)蓄熱球的蓄熱特性，提出設(shè)計(jì)了一種表面帶有螺旋凹槽的球形封裝單元，對(duì)其蓄熱性能模擬后發(fā)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)蓄熱箱的蓄熱效率的提高具有很大意義，為相變蓄熱單元的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

2 蓄熱裝置的物理模型和數(shù)學(xué)模型

2.1 蓄熱箱的物理模型

蓄熱單元內(nèi)填充導(dǎo)熱系數(shù)較高的PCM主材八水氫氧化鋇，其熱物性參數(shù)，如表1所示。圓桶內(nèi)徑300 mm，壁厚1 mm，長(zhǎng)400 mm，進(jìn)、出水管內(nèi)徑20 mm。將球均勻分布蓄熱箱內(nèi)，進(jìn)水口在下，出水口在上。光滑蓄熱球直徑61.25 mm，球的體積為120268.871 mm3，表面積為11785.881 mm2。凹槽蓄熱球直徑為65 mm，其凹槽形狀為螺旋狀，凹槽橫截面為直徑為10 mm的半圓，其體積大小為120268.871 mm3，表面積為156 28.847 mm2，其物理模型，如圖1所示。改進(jìn)前后相變單元體積相等，即PCM質(zhì)量相等。將其分別裝入圓桶中，分別定義為光滑球蓄熱箱和凹槽球蓄熱箱，其物理模型，如圖2所示。

表1 PCM（主材八水氫氧化鋇）的熱物性參數(shù)Tab.1 Thermophysical Parameters of PCM（Barium Hydroxide Octahydrate）

圖1 螺旋凹槽蓄熱單元結(jié)構(gòu)Fig.1 Spiral Groove Heat Storage Unit Structure

圖2 光滑球蓄熱箱和凹槽球蓄熱箱結(jié)構(gòu)Fig.2 Smooth Ball Regenerator and Groove Ball Regenerator Structure

2.2 蓄熱箱的數(shù)學(xué)模型

為簡(jiǎn)化計(jì)算，作如下假設(shè)：（1）忽略主材八水氫氧化鋇相變過(guò)程中體積變化對(duì)外殼的應(yīng)力作用的影響。（2）載熱流體與PCM的熱物性參數(shù)（比熱容/導(dǎo)熱系數(shù)）不隨溫度變化而發(fā)生變化。（3）蓄熱箱絕熱，忽略熱量的散失。（4）水流沖擊相變小球時(shí)，小球不發(fā)生移動(dòng)和偏轉(zhuǎn)。（5）忽略蓄熱球的壁厚。

連續(xù)性方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：H-相變潛熱；ρ-相變材料密度液相速度；Se-能量方程源項(xiàng)；Si-動(dòng)量方程源項(xiàng)；vi-速度分量；P-壓強(qiáng)；u-液相黏度；k-導(dǎo)熱率。

3 蓄熱箱的數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

應(yīng)用ICEM CFD建立蓄熱箱的幾何模型并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將ICEM中生成的mesh文件導(dǎo)入FLUENT軟件中，開(kāi)啟3D分離式非穩(wěn)態(tài)求解器，并檢查網(wǎng)格質(zhì)量和尺寸，激活能量方程（Energy Equation）和湍流物理模型（k-e），應(yīng)用Solidification/Melting模型進(jìn)行相變過(guò)程的數(shù)值仿真。在邊界條件設(shè)置上，采用壓力出口和速度進(jìn)口，進(jìn)口流速依次設(shè)為0.1m/s和0.15 m/s，進(jìn)口溫度依次設(shè)為358 K和363 K。PCM初始溫度為308 K。

3.2 蓄熱箱的數(shù)值模擬

在fluent中對(duì)裝有光滑蓄熱球和凹槽蓄熱球的蓄熱箱在不同工況下依次進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)蓄熱單元的溫度分布曲線(xiàn)來(lái)分析蓄熱過(guò)程中PCM的溫度變化，利用蓄熱單元的液相率分布曲線(xiàn)來(lái)分析蓄熱時(shí)長(zhǎng)。同時(shí)利用蓄熱箱中PCM的液相率分布云圖了解蓄熱單元液相率分布。對(duì)比分析相同工況下光滑球蓄熱單元和凹槽球蓄熱單元對(duì)蓄熱箱蓄熱性能的影響

4 蓄熱過(guò)程模擬結(jié)果及分析

由圖3和圖4可以看出，中間一列蓄熱球最先熔化，之后周?chē)男顭崆虿怕刍@是因?yàn)橹虚g進(jìn)水管的水流量大于兩邊進(jìn)水管的水流量，使得熱量從中間沿著水流方向傳遞，再擴(kuò)散到周?chē)Ｔ谕还r下，同一時(shí)刻凹槽蓄熱球熔化程度大于光滑球熔化程度，這是因?yàn)榘疾坌顭崆虻陌疾劢Y(jié)構(gòu)增加了PCM與熱水之間的熱交換面積，如圖5所示為凹槽表面流體流動(dòng)矢量圖，從圖中可以看出，上層和下層凹槽表面總體水流沿著螺旋凹槽方向流動(dòng)，中層凹槽表面總體水流自上而下流動(dòng)，與熱媒體（水流）下進(jìn)上出方向相反，由此可知球表面的螺旋狀凹槽改變了流體的流動(dòng)狀態(tài)，促進(jìn)了水箱內(nèi)水的循環(huán)，一方面，增加了熱媒體與相變單元的換熱時(shí)間，另一方面，增加蓄熱箱內(nèi)流體的擾動(dòng)，出現(xiàn)了多的紊流區(qū)域，在一定程度上增強(qiáng)了對(duì)流傳熱，避免了熱量的流失，提高了換熱效率，對(duì)整個(gè)蓄熱箱而言，提高了整體的蓄熱效率，減少了蓄熱時(shí)間。

圖3 3000s時(shí)蓄熱箱內(nèi)PCM的液相率分布云圖（入口流速0.1m/s，入口水溫363K）Fig.3 Liquid Flow Rate Distribution of PCM In The Regenerator At 3000s（Inlet Flow Rate 0.1 m/s，Inlet Water Temperature 363K）

圖4 3000s時(shí)蓄熱箱內(nèi)PCM的液相率分布云圖（入口流速0.15m/s，入口水溫363K）Fig.4 Liquid Flow Rate Distribution of PCM In The Regenerator At 3000s（Inlet Flow Rate 0.15 m/s，Inlet Water Temperature 363K）

圖5 螺旋凹槽表面水流流動(dòng)矢量圖Fig.5 Spiral Groove Surface Water Flow Vector

由圖6和圖7可以看出，在兩種工況下，光滑球蓄熱箱和凹槽球蓄熱箱在蓄熱過(guò)程中，PCM的溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，大體分為三個(gè)階段，即蓄熱初期升溫比較快的顯熱蓄熱階段；溫度基本保持不變的潛熱蓄熱階段；蓄熱后期溫度又有所上升的顯熱蓄熱階段［10］。在（入口流速0.1m/s，入口水溫363 K）此工況下，凹槽球蓄熱箱內(nèi)PCM潛熱蓄熱時(shí)長(zhǎng)比光滑球蓄熱箱內(nèi)PCM潛熱蓄熱時(shí)長(zhǎng)縮短了大約3000s，在（入口流速0.15m/s，入口水溫363K）此工況下，凹槽球蓄熱箱內(nèi)PCM潛熱蓄熱時(shí)長(zhǎng)比光滑球蓄熱箱內(nèi)PCM潛熱蓄熱時(shí)長(zhǎng)縮短了大約1500s，這說(shuō)明凹槽球蓄熱箱內(nèi)PCM比光滑球蓄熱箱內(nèi)PCM提前完成固-液相變。

圖6 蓄熱時(shí)兩種蓄熱箱內(nèi)PCM的溫度曲線(xiàn)（入口流速0.1m/s，入口水溫363K）Fig.6 Temperature Curve of PCM In Two Regenerators During Heat Storage（Inlet Flow Rate 0.1m/s，Inlet Water Temperature 363K）

圖7 蓄熱時(shí)兩種蓄熱箱內(nèi)PCM的溫度曲線(xiàn)（入口流速0.15m/s，入口水溫363K）Fig.7 Temperature Curve of PCM In Two Regenerators During Heat Storage（Inlet Flow Rate 0.15 m/s，Inlet Water Temperature 363K）

由圖8和圖9可以看出，在兩種工況下，兩種蓄熱體的液相率與時(shí)間都成正比關(guān)系。在（入口流速0.1m/s，入口水溫363K）此工況下，光滑蓄熱球蓄熱時(shí)液相率產(chǎn)生于1500s，在6 000s完成相變。凹槽蓄熱球蓄熱時(shí)液相產(chǎn)生于950s，在3750s液相率到達(dá)1，相變完成。蓄熱效率提高了37.5%。在（入口流速0.15 m/s，入口水溫363K）此工況下，光滑蓄熱球蓄熱時(shí)液相率產(chǎn)生于1 200s，在4000s完成相變。凹槽蓄熱球蓄熱時(shí)液相產(chǎn)生于750 s，在3000s相變完成。蓄熱效率提高了25%。由圖6～圖9可以得出，水流流速影響蓄熱箱的蓄熱效率，在一定范圍內(nèi)，流速越大，蓄熱箱蓄熱時(shí)間越少。

圖8 蓄熱時(shí)兩種蓄熱箱內(nèi)PCM的液相率曲線(xiàn)（入口流速0.1 m/s，入口水溫363K）Fig.8 Liquid Phase Rate Curve of PCM In Two Regenerators During Heat Storage（Inlet Flow Rate 0.1 m/s，Inlet Water Temperature 363K）

圖9 蓄熱時(shí)兩種蓄熱箱內(nèi)PCM的液相率曲線(xiàn)（入口流速0.15 m/s，入口水溫363K）Fig.9 Liquid Phase Rate Curve of PCM In Two Regenerators During Heat Storage（Inlet Flow Rate 0.15 m/s，Inlet Water Temperature 363.15K）

在（入口流速0.15m/s，入口水溫363K）此工況下，改進(jìn)前、后蓄熱箱出口溫度隨時(shí)間變化，如圖7所示。

由圖可以得出：凹槽蓄熱球蓄熱箱出水口溫度比光滑蓄熱球蓄熱箱出水口溫度低，說(shuō)明在相同工況的前提下，相等蓄熱時(shí)間內(nèi)蓄熱箱消耗的能量是相等的，但是凹槽蓄熱球蓄熱箱單位時(shí)間的蓄熱量增加，這與相同體積下的PCM為前提，凹槽蓄熱球蓄熱箱蓄熱時(shí)間短相吻合。

圖10 改進(jìn)前/后出口溫度隨時(shí)間的變化Fig.10 Improve The Change of The Front/rear Outlet Temperature With Time

5 結(jié)論

（1）與相同體積下的傳統(tǒng)蓄熱球比較，螺旋凹槽蓄熱球換熱面積大，提高了蓄熱效率。（2）球表面的螺旋狀凹槽，改變了蓄熱箱內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)，增加流體的擾動(dòng)，出現(xiàn)了多的紊流區(qū)域，在一定程度上增強(qiáng)了傳熱。（3）在入口流速0.1m/s、入口水溫363K和入口流速0.15m/s、入口水溫363K兩種工況下，與光滑蓄熱球蓄熱箱比較，凹槽蓄熱球蓄熱箱蓄熱效率分別提高了37.5%和25%。（4）在一定范圍內(nèi)，流速越大，蓄熱箱蓄熱效率越高。