通信用蓄電池恒溫柜蓄放熱過程的數值模擬

崔海亭，孫坤坤，蔣靜智

（河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018）

隨著信息化的日益推廣普及，信息通信業能源消耗量也與日俱增［1］。中國作為一個通信大國，為保障通信網絡的不間斷運轉，網絡所需的電力等能源需求也在日益增長。為避免電力異常帶來的服務中斷，除盡可能的提高供電系統的可靠性外，通信用蓄電池作為儲備電能，同時也是應付電網異常情況、維系通信系統正常運轉的關鍵設備［2-3］。目前通信用的蓄電池是閥控式密封鉛酸蓄電池，它對溫度要求較高，要求在15～25℃之間。溫度降低會使蓄電池容量下降，溫度每下降1℃，其容量下降1%；溫度升高會使蓄電池壽命縮短，長期運行時溫度每升高10℃，電池的浮充壽命將縮短一半［4-6］。通信蓄電池恒溫柜就是為了解決蓄電池工作溫度問題而設計的通信設備，將蓄電池容納在內，只需要保持蓄電池15～25℃之間的工作溫度，而基站內環境溫度就可以從25℃提高到30℃～40℃，從而降低了基站內空調的整體能耗［7］。

通信用蓄電池恒溫柜以較強的針對性，提出的點式局部溫度控制的概念，控制通信用蓄電池運行的局部環境溫度，延長蓄電池的使用壽命［8］，通過相變材料儲能技術＋半導體制冷技術的配置模式，可以完全取代目前壓縮機氟冷制冷方式，成為通信基站點式溫度局部控制節能技術的典型設備。鑒于此，本研究利用FLUENT軟件對帶有相變材料和半導體制冷設備的蓄電池恒溫柜的蓄熱過程進行了模擬，為蓄電池恒溫柜在實際中的應用提供了理論依據。

1 數值模擬

1.1 物理模型

圖1所示為蓄電池恒溫柜的示意圖，其長、寬、高分別為1 300mm，700mm和1 000mm，箱壁是不銹鋼，外部包裹絕熱材料，內部依次為空氣、蓄熱體和蓄電池。蓄熱體為10塊相變蓄熱板，板壁為不銹鋼，內部填充三元脂肪酸／膨脹石墨復合相變材料（PCM），其長、寬、高分別為200mm，500mm 和30mm；蓄電池有24塊，其長、寬、高分別為300mm，100mm和300mm。

1.2 物性參數

圖1 恒溫箱模型示意圖Fig.1 Incubator of multitube model

所選用的相變材料為三元脂肪酸／膨脹石墨復合相變材料，蓄熱體壁面材料為不銹鋼，其物性參數如表1所示［9］。

表1 PCM的物性參數Tab.1 Physical properties of PCM

1.3 數學模型

利用FLUENT軟件對蓄電池恒溫柜控溫過程進行模擬時，為計算簡便，進行如下基本假設［10-11］：1）PCM各向同性；2）蓄熱器相變材料固態、液態時的熱物性不同；3）忽略恒溫箱體外壁面的熱量損失及蓄熱體壁厚的影響；4）滿足bousssinesq假設，只在浮升力項中考慮流體密度的變化；5）相變材料中，液相區流體為不可壓縮牛頓流體；6）考慮自然對流的影響，自然對流為層流。

FLUENT軟件中的凝固／熔化模型是以焓為待求變量，即在相變過程中固相、液相與兩相交界面全部區域內建立統一的能量方程。其相變區基本的能量方程為［12-13］

其中，相變材料的焓通過h以及潛熱ΔH來計算：

式中：ρ為傳熱流體密度，kg／m3；→v為流體速度矢量，m／s；λ為導熱系數，W／（m·K）；H為任意時刻的比焓，kJ／kg；h為顯熱值，kJ／kg；href為基準焓值，kJ／kg；ΔH為物質相變潛熱，kJ／kg；t為相變時間，s；T為蓄熱體任意時刻溫度，K；Tref為基準溫度，K；cp為定壓比熱，kJ／（kg·K）。

β為液相體積分數，表示PCM熔化／凝固過程中液相比例，相變過程中其值在［0，1］之間變化：當PCM溫度小于熔化溫度時，β=0，PCM為固相；當PCM溫度等于熔化溫度時，0＜β＜1，PCM為固液兩相共存；當PCM 溫度大于熔化溫度時，β=1，PCM 為液相［14］。

此外，動量方程中源項為

其中：ε是一個小于0.000 1的數，防止被零除；v為流體速度；vp為牽連速度；Amush為糊狀區的連續數。

初次接觸科雷的產品是在學校的實習課上，老師帶著我們參觀印刷廠介紹印前設備時，指著一臺科雷的CTP制版機說：“這個牌子大家記一下，中國制造，他們的產品遠銷海外。”一直很好奇，為什么科雷能占據全球CTP裝備市場15%的份額，且新增產品的市場占有率更是高達30%，當我站在科雷融合智能化與綠色化的生產工廠中，我想我不僅找到了答案，更看到了印前裝備領域中國制造的未來。

1.4 FLUENT參數設置

1.4.1 幾何模型的建立

利用GAMBIT軟件建立幾何模型并劃分網格。箱體外表面為絕熱壁面，蓄電池為熱源。其中蓄電池和蓄熱體與箱體內空氣的交界面無需設置邊界類型，FLUENT默認為耦合界面。運用GAMBIT中的mesh volumes進行四面體網格劃分。

1.4.2 計算參數設置

在FLUENT軟件中導入GAMBIT輸出的網格文件，選擇3D分離式非穩態求解器求解，選擇solidification／melting模型模擬相變過程［15］。設置蓄電池放熱的熱通量為40W／m2，利用patch面板指定相變材料區域和固體區域的初始溫度，熔化時箱體內空氣的初始溫度為288K，相變材料溫度為290K。凝固時箱體內空氣溫度為298K，相變材料溫度為295K。

在求解器的控制參數設置面板中設定壓力和速度的耦合采用SIMPLC算法。為了得到PCM溫度及液相率和空氣溫度等參數隨時間的變化規律，迭代前需要在適當的位置設置監視器，設置了3個監視器，分別為PCM區的溫度監視器、PCM液相率監視器和恒溫箱內空氣溫度監視器，用來監測整個熔化及凝固過程中的變化情況。開始迭代時，時間步長的設置不能太大或太小，要保證在最大的迭代步數內能夠穩定收斂。

2 模擬結果及分析

2.1 熔化過程

圖2為熔化過程中PCM區的液相率曲線，圖3為熔化過程中PCM區的平均溫度曲線，圖4為熔化過程中恒溫箱內空氣的平均溫度曲線。由這3個圖可以看出，熔化過程初期PCM區域為固態導熱過程，液相率為零，因為初始空氣溫度為288K，PCM為290K，所以PCM區域溫度呈先降后升的趨勢，此時為顯熱蓄熱階段，恒溫箱內空氣溫度上升很快；經過5min的固態導熱，PCM開始熔化，整個PCM區域的溫度基本保持在熔點區間內，材料吸收熱量熔化儲存潛熱而溫度升高并不明顯，同時由于PCM熔化吸收大量的熱，導致箱體內空氣升溫速率降低；隨著換熱的進行，PCM的熔化速率逐漸增大，這是由于在相變過程中換熱，主要是由熱傳導和熱對流引起的。在熔化初期，相變材料的主要換熱方式是熱傳導換熱，換熱效率低，隨著液相率的增大，整體PCM區域內熱傳導換熱作用逐漸減弱，自然對流換熱作用相應加強，從而使熔化速度加快；直到整個PCM區域全部熔化，即液相率達到1.0后，溫度又開始升高，但是溫度上升的速度卻比熔化前慢，這是因為PCM完全變為液體后導熱系數變小，同時由于PCM從潛熱蓄熱階段變為顯熱蓄熱階段，升溫所需要的吸收的熱量減少，箱內空氣的升溫速率再次變大；最后，當箱體內空氣溫度增加到298K時，開啟空調設備，輸送冷空氣，從而控制箱體內的環境溫度。

圖2 熔化過程中PCM區的液相率曲線Fig.2 Liquid fraction change on PCM area in melting process

圖3 熔化過程中PCM區的平均溫度曲線Fig.3 Temperature change on PCM area in melting process

2.2 凝固過程

圖5為凝固過程中PCM區的液相率曲線，圖6為凝固過程中PCM區的平均溫度曲線，圖7為凝固過程中恒溫箱內空氣的平均溫度曲線。由這3個圖可以看出，凝固初始階段，經過對流傳熱，PCM開始凝固，溫度下降很快，這是因為液態PCM傳熱系數大，且初始階段在冷空氣的作用下箱體內空氣快速降溫，增大了傳熱溫差；當PCM溫度下降到熔點后，溫度變化速率減慢，從2min開始，隨著時間的遞增，整個PCM區的溫度基本保持在凝固區間內，而液相率先快速減小，后逐漸變平緩，這是因為相變材料在凝固初期，液相分數較大，液相相變材料自然對流使液態區域溫度均勻化，加速凝固。隨著換熱的進行，自然對流作用逐漸減弱，凝固主要由熱傳導換熱，凝固速度減慢；隨著溫度的繼續降低，PCM完全凝固，其溫度又開始較快的下降，而由于PCM放熱階段的變化，其降溫釋放的熱量減少，箱內空氣的降溫速率再次變大；最后當箱體內空氣溫度下降到288K時，關閉空調，停止冷氣的輸送。

圖4 熔化過程中恒溫箱內空氣的平均溫度曲線Fig.4 Air temperature change in the incubator during melting process

圖5 凝固過程中PCM區的液相率曲線Fig.5 Liquid fraction change on PCM area in solidification process

圖6 凝固過程中PCM區的平均溫度曲線Fig.6 Temperature change on PCM area in solidification process

3 結 論

圖7 凝固過程中恒溫箱內空氣的平均溫度曲線Fig.7 Air temperature change in the incubator during solidification

介紹了運用FLUENT凝固／熔化模型，求解相變問題的數學模型和參數設置情況，并利用FLUENT軟件對有相變蓄熱體的新型蓄電池恒溫柜蓄放熱過程進行了數值模擬，得到了在空調及蓄熱體雙重控溫條件下，相變材料凝固／熔化時間以及不同時刻相變材料溫度、液相率和箱體內空氣溫度隨時間的變化曲線，并對結果進行了分析，掌握了恒溫箱內溫度的變化規律，為新型蓄電池恒溫柜在通信機房中的實際應用提供了理論依據。

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