定形相變蓄熱裝置蓄放熱數(shù)值分析及實驗

吳 濤, 劉向農(nóng), 楊 磊, 李 偉

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

相變材料具有儲能密度大、相變過程中在吸收或者釋放大量相變潛熱的同時溫度波動范圍小的特點。對于相變材料潛熱、蓄熱能力在電動汽車空調(diào)蓄熱、電動汽車動力電池?zé)峁芾硪约耙苿有顭彳嚨确矫娴膽?yīng)用[1-3],國內(nèi)外廣大學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究。

同相變材料巨大蓄熱潛力形成鮮明對比的是相變材料較低的導(dǎo)熱系數(shù)和傳熱性能。解決這一問題的方法主要集中在2個方面:① 提高材料本身的導(dǎo)熱性能[4-5],包括相變材料微膠囊化、材料內(nèi)添加高導(dǎo)熱系數(shù)物質(zhì)、相變材料封存在高導(dǎo)熱多孔介質(zhì)內(nèi)等;② 優(yōu)化蓄熱器結(jié)構(gòu)形式[6-7],主要包括添加肋片、直接接觸式蓄放熱、多相變蓄熱等。

將相變材料封裝在高導(dǎo)熱多孔介質(zhì)內(nèi)制備的復(fù)合相變材料原始狀態(tài)為粉末狀,將其壓縮后仍有導(dǎo)熱系數(shù)提升的空間。本文將膨脹石墨/赤藻糖醇復(fù)合相變材料壓縮成形,設(shè)計一種定形相變蓄熱裝置。對壓縮成形后的材料進(jìn)行熱物性參數(shù)測試,并將參數(shù)輸入到建立的數(shù)值模型中；經(jīng)過實驗驗證模型準(zhǔn)確后,再通過控制變量法探究進(jìn)口流量以及進(jìn)口溫度對其放熱的影響；利用裝置循環(huán)熱效率以及放熱效率的計算結(jié)果對裝置的性能進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

1 實驗裝置介紹

實驗系統(tǒng)及蓄熱裝置實物如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)及蓄熱裝置實物

系統(tǒng)由2個恒溫水箱、可調(diào)速水泵、流量計、蓄熱器、數(shù)據(jù)記錄儀、調(diào)壓器、示功儀、熱電阻組成。系統(tǒng)換熱介質(zhì)為水,恒溫水箱和周轉(zhuǎn)水箱用于調(diào)節(jié)進(jìn)口水流溫度；水泵P2用于恒溫水箱內(nèi)水的補給; 水泵P1為調(diào)速水泵,用于提供系統(tǒng)水源的動力;閥門V2用于流量的輔助調(diào)節(jié);蓄熱器加熱方式為電加熱。通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)電壓到合適的功率，并在功率監(jiān)測儀上進(jìn)行顯示;共布置4個PT1000熱電阻,2個用于監(jiān)測進(jìn)出口水溫,另外2個用于監(jiān)測相變材料外表面溫度。

蓄熱器是整個系統(tǒng)的重要組成部分,主要由銅管、14個壓縮后的相變材料環(huán)、硅橡膠加熱片組成,外部包覆的保溫材料為納米氣凝膠保溫棉。相變環(huán)尺寸為外環(huán)直徑80 mm、孔徑9.52 mm,其中1個相變環(huán)的厚度為25 mm,14個共計35 cm;銅管管徑尺寸為9.52 mm、壁厚1 mm。具體實物如圖1b所示。

2 數(shù)值模擬過程

2.1 物理模型

蓄熱裝置是一個關(guān)于軸心旋轉(zhuǎn)對稱的柱狀體,因此可以將仿真模型簡化為旋轉(zhuǎn)對稱的二維平面圖形,大大減少了網(wǎng)格數(shù)量和計算資源。銅管厚度及導(dǎo)熱系數(shù)可以直接在仿真軟件中設(shè)置,因此模型中銅管壁厚無需建立。蓄熱裝置簡化后選取的計算平面及邊界條件設(shè)置如圖2所示。

圖2 蓄熱裝置仿真物理模型

復(fù)合相變材料由赤藻糖醇添加3%～4%膨脹石墨制備,原始形態(tài)為粉末狀,壓實后為緊密固體，使用DSC2000、激光導(dǎo)熱儀測試其相變焓、相變溫度及導(dǎo)熱系數(shù),測試參數(shù)見表1所列。銅管和相變材料的接觸熱阻采用典型金屬與金屬接觸面接觸熱阻,數(shù)值為2.32×10-4m2·K/W。

表1 復(fù)合相變材料物性參數(shù)

2.2 數(shù)學(xué)模型

為了計算方便,對數(shù)學(xué)模型做出以下假設(shè):

(1) 相變材料是均勻的,相變環(huán)之間的接觸熱阻忽略不計,換熱流體進(jìn)口溫度和速度均勻。

(2) 相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、相變焓均為溫度的函數(shù),通過線性擬合輸入到計算中;相變材料的黏度設(shè)為無限大,忽略相變材料的過冷。

(3) 管壁和相變材料之間的接觸熱阻通過計算融合到管壁導(dǎo)熱系數(shù)中;壁面外添加了保溫材料，將其模擬條件設(shè)為絕熱。

模擬采用fluent軟件中的凝固融化模型。參考文獻(xiàn)[8-9],得到換熱流體和相變材料的能量平衡方程分別為：

(1)

(2)

相變材料焓值表達(dá)式如下:

(3)

其中:下標(biāo)f表示換熱流體;下標(biāo)p表示相變材料;下標(biāo)w表示管壁面;Tref為參考溫度,單位為℃;h為換熱系數(shù),單位為W·m-2·K-1;hp、href為相變材料焓值和參考焓值,單位為J·g-1;β為液相率;L為潛熱值,單位為J。

2.3 對比驗證

數(shù)據(jù)模擬與實驗結(jié)果的對比如圖3所示。

圖3 加熱和釋熱工況數(shù)據(jù)模擬與實驗結(jié)果的對比

為驗證本文所建立模型的有效性,將相同條件下的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，對比分為加熱和釋熱2個部分。加熱對比條件為加熱功率80 W、起始溫度20 ℃、停止溫度127 ℃,對比位置為相變環(huán)外表面的溫度;釋熱對比條件為管內(nèi)流速0.8 、1.6 L/min,進(jìn)口溫度為30 ℃,對比對象為出口溫度。因為銅管在蓄熱時隨裝置一同加熱,所以管壁溫度較高,進(jìn)入的流體首先要對管壁進(jìn)行冷卻,導(dǎo)致出口溫度在初始時很高,然后突然下降。從圖3可以看出，流量穩(wěn)定后該模型模擬結(jié)果與實驗結(jié)果耦合較好,平均誤差控制在2%之內(nèi)。說明該模型可以預(yù)測裝置的不同運行模式。

3 裝置運行結(jié)果與分析

為了對裝置的不同運行情況進(jìn)行更加全面完善的分析,利用上述模型對該裝置的不同流量和不同進(jìn)口溫度工況進(jìn)行數(shù)值仿真,并計算了不同工況下裝置的循環(huán)熱效率及放熱過程效率。

不同流量工況下，設(shè)置進(jìn)口流量為0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 L/min,進(jìn)口溫度統(tǒng)一設(shè)定為30 ℃;不同進(jìn)口溫度工況下，設(shè)置進(jìn)口溫度為25、30、35、40、45 ℃,流量統(tǒng)一設(shè)定為1 L/min。2組實驗設(shè)定的停止?fàn)顟B(tài)均為進(jìn)出口溫差1 ℃。

3.1 流量、進(jìn)口溫度對放熱過程的影響

相變蓄熱器所存儲的熱量共分為相變潛熱和顯熱2個部分,在該裝置中相變潛熱所存儲的熱量占總熱量的63%左右。裝置的釋熱過程同樣分為2個部分,第1部分為相變潛熱釋放階段,第2部分為顯熱釋放階段。相變特性決定了在相變發(fā)生時材料溫度變化較小并且可以釋放出大量的熱量,因此在潛熱釋放階段換熱流體的出口溫度可以保持在一個較高的水平。

出口溫度曲線前半部分如圖4所示。相較于潛熱,顯熱階段熱量的釋放會伴隨著溫度的下降,換熱溫差降低，因此放熱階段的第2部分出口溫度下降比較明顯。

隨著流量的增加,管道內(nèi)流體速度也不斷增加,速度增加導(dǎo)致?lián)Q熱流體和材料之間的換熱不充分,熱量無法取出,出口溫度就會降低(圖4a)。速度增加的同時也會提高流體側(cè)換熱系數(shù),但是整個系統(tǒng)中熱阻主要集中在材料側(cè),導(dǎo)熱強化的方向也應(yīng)該集中在材料側(cè),流體側(cè)換熱系數(shù)的增加對整個裝置的換熱能力提升效果很小。

據(jù)熱流量表達(dá)式Φ=kA(tp-tf),入口溫度的增加會導(dǎo)致?lián)Q熱流體與相變材料之間換熱溫差減小,相同時間內(nèi)取出的熱量也會減少,因此相同流量下隨著進(jìn)口溫度的升高，流體進(jìn)出口的溫差會變小(圖4b)。在潛熱釋放階段,相變材料溫度變化很小,換熱溫差較高,因此不同進(jìn)口溫度工況下流體進(jìn)出口溫差區(qū)別較為明顯。進(jìn)入顯熱釋放階段后,熱量的取出會伴隨著材料溫度的下降,換熱溫差也會隨之降低,不同進(jìn)口溫度工況下流體進(jìn)出口溫差的區(qū)別也會減小。

(c) 不同進(jìn)口溫度下出口溫度圖4 不同流量和不同進(jìn)口溫度工況下出口溫度曲線

3.2 裝置循環(huán)熱效率及放熱過程效率分析

綜合考慮換熱溫差以及放熱時間,對裝置的循環(huán)熱效率ξ以及放熱效率η進(jìn)行計算,具體計算公式[10-11]為：

(4)

(5)

其中

(6)

(7)

其中:t1為釋熱完成時間;t2為加熱完成時間;Tini為材料初始溫度值;Tm為相變溫度;cp,s為材料固態(tài)時比熱容;cp,l為液態(tài)時比熱容。

裝置的循環(huán)熱效率如圖5所示。

圖5 循環(huán)熱效率

由圖5可知，隨著溫度和流量的增加,循環(huán)熱效率均呈減小趨勢。不同進(jìn)口溫度放熱時間相差不多,但由于換熱溫差減小,即換熱的動力減小，導(dǎo)致一部分能量無法取出,降低了裝置的循環(huán)熱效率。相較于低進(jìn)口溫度,高進(jìn)口溫度取熱范圍更小,取出的熱量少,會使效率下降。流速的增加提高了管內(nèi)的換熱系數(shù),但是換熱流體的換熱時間大幅減少,導(dǎo)致在相同的換熱溫差下取不出熱量,放熱時間變短,循環(huán)熱效率變小。

裝置釋熱時首先釋放潛熱,潛熱的存儲量大,且溫度變化小,因此效率在前期增長速度較快。隨著潛熱釋放完成,裝置內(nèi)部存蓄的熱量減少,同時顯熱的釋放隨著溫度的下降,效率增長越來越緩慢,最后趨于穩(wěn)定,釋熱過程結(jié)束。不同流量工況下,前半段由于潛熱大溫度變化小,可以以量換質(zhì)，相差不大,但是后期潛熱釋放完成后,差距逐漸拉大。因此在應(yīng)用過程中可以考慮采用流量逐漸減小的方式,在潛熱以及顯熱階段都能獲得更大的效率。入口溫度增加,換熱溫差減小，導(dǎo)致?lián)p失減小,因此溫度低時雖然獲得了較高的進(jìn)出口溫差,但計算進(jìn)口溫度高時的效率仍然較高。從圖6b可以看出，隨著進(jìn)口溫度每次增加5 ℃,放熱時間變化不大,效率增加的趨勢卻在減緩,因此較大的進(jìn)口溫度對系統(tǒng)的運行并沒有太大的好處,要根據(jù)系統(tǒng)的運行情況設(shè)置合理的供回水溫度。結(jié)合不同流量工況放熱情況,當(dāng)進(jìn)口溫度較高時可以適當(dāng)減小流量以獲得更多的換熱時間,提高換熱流體的進(jìn)出口溫差,使效率的增長趨勢可以進(jìn)一步提高。

圖6 不同工況下的放熱效率

4 結(jié) 論

(1) 相變蓄熱裝置在進(jìn)口流量增加時,進(jìn)出口溫差減小,放熱時間變短;增大換熱流體進(jìn)口溫度,進(jìn)出口溫差變小,換熱時間變化不大。

(2) 增大進(jìn)口流量,流體換熱時間減少;增大進(jìn)口溫度,換熱溫差減小。這2個因素都導(dǎo)致了循環(huán)熱效率的降低。