泡沫金屬鋁/石蠟相變蓄熱過(guò)程的數(shù)值模擬

吳義云，張虹，嚴(yán)江濤，徐家菊，錢付鋼，丁守軍，鄒勇

泡沫金屬鋁/石蠟相變蓄熱過(guò)程的數(shù)值模擬

吳義云，張虹，嚴(yán)江濤，徐家菊，錢付鋼，丁守軍，鄒勇

（安徽工業(yè)大學(xué) 微電子與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

太陽(yáng)能蓄熱雖然是一種較為成熟的太陽(yáng)能技術(shù)，但仍存在熱能儲(chǔ)存不穩(wěn)定、熱能利用效率低、蓄熱不連續(xù)等問(wèn)題，而相變蓄熱在一定程度上可以解決這些問(wèn)題．石蠟因其價(jià)格低、固液相變轉(zhuǎn)化過(guò)程體積變化小、相變潛熱高、幾乎無(wú)過(guò)冷現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)，被遴選為相變材料．針對(duì)單純的石蠟相變材料存在導(dǎo)熱性差、蓄熱慢等問(wèn)題，探究將泡沫金屬鋁與石蠟結(jié)合的復(fù)合相變材料用于相變蓄熱裝置中，并對(duì)蓄熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬．結(jié)果表明，相同工況下，復(fù)合石蠟完全熔化時(shí)，純石蠟只熔化了70%．因此，復(fù)合相變材料可以有效提高蓄熱速度，即單位時(shí)間內(nèi)的蓄熱量．

蓄熱水箱；相變材料；熱傳導(dǎo)；泡沫金屬鋁；石蠟；數(shù)值模擬

目前，國(guó)際上能源及產(chǎn)業(yè)發(fā)展低碳化的大趨勢(shì)已然形成，各國(guó)紛紛出臺(tái)碳中和時(shí)間表．可再生能源以及可持續(xù)能源的發(fā)展使其隨時(shí)空分布不均、不確定性和波動(dòng)性大等矛盾備受人們關(guān)注．在這種形勢(shì)下大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)迎來(lái)了飛速發(fā)展[1]．儲(chǔ)能方式分為顯熱儲(chǔ)能、潛熱儲(chǔ)能以及化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能[2]，潛熱儲(chǔ)能因儲(chǔ)能密度高、體系溫度易于控制、恒溫效果好、體積相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用．潛熱儲(chǔ)能將離散和隨機(jī)的能量存儲(chǔ)到合適的介質(zhì)中，并在需要能量時(shí)再次釋放出來(lái)．泡沫金屬[3]空隙率高的特性使得其兼容了金屬的高導(dǎo)熱性、高延展性以及泡沫狀所帶來(lái)的質(zhì)輕、吸聲散熱性好、能量吸收效率高、保持形狀的穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)．有機(jī)相變材料潛熱高，適宜作為儲(chǔ)能介質(zhì)，但存在易泄露、導(dǎo)熱差等特性，因此不少研究者將其吸附在泡沫金屬上，提高其導(dǎo)熱性，形成的復(fù)合有機(jī)定型相變材料[4]穩(wěn)定性強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)迅速的蓄熱-放熱．

雖然相變材料的理論研究已經(jīng)日益成熟，但符合工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)則不多，如何研發(fā)出適合不同場(chǎng)景且質(zhì)優(yōu)價(jià)廉、滿足市場(chǎng)批量化生產(chǎn)的要求是其進(jìn)一步突破的關(guān)鍵．為發(fā)掘相變材料在工程應(yīng)用中的潛力，史巍[5]等對(duì)相變材料的分類、選擇、物理特性等進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)其傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬．在建筑材料領(lǐng)域，劉昌宇[6]等在玻璃圍護(hù)中加入相變材料，分析相變材料的輻射物性參數(shù)，以及室內(nèi)外環(huán)境因素對(duì)其傳熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)不僅受物性參數(shù)以及環(huán)境因素的影響，還與材料的液相性與透光率等因素有關(guān)．Lin[7]等在建筑物中添加相變材料，觀察蓄熱系統(tǒng)的蓄放熱過(guò)程，設(shè)置并分析了含自然對(duì)流的傳熱模型，并使用ANSYS軟件進(jìn)行了模擬仿真，發(fā)現(xiàn)自然對(duì)流的影響與液相產(chǎn)生的回流有關(guān)，相界面高度的增加會(huì)使回流強(qiáng)度隨之增大．鐘云飛[8]等研究微膠囊相變材料（MPCM）在食品、醫(yī)藥及紡織品等領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)選擇合適的芯殼材料和制備方法來(lái)控制MPCM組成至關(guān)重要，以此可以制備性能更好的MPCM，滿足不同的實(shí)際需求．

在相變材料中，復(fù)合相變材料性能更優(yōu)，適用范圍更廣．徐眾[9]等在研究以石蠟為相變主材，泡沫金屬為支撐材料的熱性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)在優(yōu)選條件下制備得到的泡沫金屬銅、泡沫金屬鋁、泡沫金屬鎳/石蠟復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別比純石蠟高8.97，5.19，8.39倍，比對(duì)應(yīng)的泡沫金屬分別高1.30，1.09，1.34倍．Rolka[10]等將相變材料加入到可再生能源的系統(tǒng)中，探究多種相變材料對(duì)可再生能源系統(tǒng)（如太陽(yáng)能收集器、光伏電池板、熱泵、空調(diào)系統(tǒng)、廢熱回收系統(tǒng)等）的影響，對(duì)其中的溫度分布以及熱容量進(jìn)行了分析，拓展了相變材料應(yīng)用的領(lǐng)域，并提供了相應(yīng)的潛熱熱能儲(chǔ)存方法．黃玥銘[11]等分析了采用不同的方法制備有機(jī)復(fù)合相變材料的優(yōu)勢(shì)，如利用共混法通過(guò)摻雜金屬納米粒子、碳基材料或?qū)⒍嗫撞牧献鳛楣羌芸梢蕴岣哂袡C(jī)復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)；采用微膠囊法解決有機(jī)相變材料易泄露的缺陷；通過(guò)溶膠-凝膠法有利于將有機(jī)復(fù)合相變材料更均勻地分散到骨架中等．

相變儲(chǔ)能技術(shù)的研究不僅僅只是相變儲(chǔ)能材料的研究與開(kāi)發(fā)，還有儲(chǔ)能換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)與制作．陳華[12]等在石蠟中加入泡沫金屬，研究其對(duì)蓄熱裝置蓄放熱過(guò)程的影響，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)泡沫金屬銅會(huì)大大提高石蠟的熔化速度，并改善分層現(xiàn)象．復(fù)合相變材料有著潛熱高的物性，加上特有的水箱結(jié)構(gòu)增加換熱比面積，讓復(fù)合相變材料在蓄熱水箱的應(yīng)用中有很大的優(yōu)勢(shì)．黃金燕[13]等提出并設(shè)計(jì)了一款可以適用不同季節(jié)下的太陽(yáng)能蓄熱裝置，蓄水箱中加入癸酸和石蠟２種不同的相變材料，發(fā)現(xiàn)多相變材料復(fù)合的蓄熱系統(tǒng)比單一相變材料更適合不同季節(jié)使用．周志鋼[14]等對(duì)太陽(yáng)能蓄熱水箱的多種特性進(jìn)行了研究，在里面加入均流裝置，以此降低熱分層現(xiàn)象，探究何種流速下熱量分布更均勻．張永信[15]等將蓄熱水箱做成有不同數(shù)量相變材料的組別，對(duì)每組蓄熱水箱放熱過(guò)程進(jìn)行研究，并與一般的蓄熱水箱進(jìn)行對(duì)比，分析了裝置中相變材料占有的比例和相變材料放置位置對(duì)水箱的影響，提出可以通過(guò)孔板進(jìn)一步提高相變蓄能水箱蓄放熱能力．方桂花[16]等對(duì)圓柱形蓄熱裝置的性能進(jìn)行測(cè)試，探究蓄熱裝置在不同熱水流速或不同的入口溫度情況下，蓄熱過(guò)程的區(qū)別．Mahdi[17]等對(duì)相變材料在太陽(yáng)能管束內(nèi)進(jìn)行熱儲(chǔ)存時(shí)的情況進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)加入相變材料可以使充放電時(shí)間分別縮短85.3%和82.5%．楊賓[18]等研究了提高石蠟相變材料的換熱特性的因素，發(fā)現(xiàn)添加一定量的納米顆粒可以降低過(guò)冷度，放熱效率最高提升40%左右，而加入翅片可以提升徑向溫度變化，解決圓管下部石蠟無(wú)法溶化的缺陷．

太陽(yáng)能蓄熱裝置存在著諸多弊端，易受天氣、時(shí)間、空間等因素的限制，存在蓄熱不夠穩(wěn)定、儲(chǔ)能密度不高、季節(jié)差異性大、能量轉(zhuǎn)化效率低等缺陷．目前的研究還沒(méi)有完全解決這些問(wèn)題，所以，開(kāi)發(fā)一種高效的蓄熱裝置，對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行“移峰填谷”具有一定的研究意義，也是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)．本文通過(guò)使用泡沫金屬/鋁復(fù)合蓄熱材料提升蓄熱效率，以此來(lái)提高太陽(yáng)能蓄熱裝置能量的有效利用率．

1　模型構(gòu)建

1.1 物理模型

建立圖1所示物理模型，模型主體為一個(gè)圓柱體管殼式水箱，箱體長(zhǎng)為150 cm，半徑為30 cm．箱體內(nèi)設(shè)置７根半徑為8 cm，長(zhǎng)為150 cm的圓柱熱水管，呈中心對(duì)稱且體圓心均相距20 cm，該結(jié)構(gòu)使箱體內(nèi)溫度均勻分布，有效接觸面積更大，吸收和釋放熱量更加迅速．

圖1 蓄熱水箱截面及結(jié)構(gòu)

熱水管的周圍填充的是泡沫金屬鋁/石蠟復(fù)合相變材料，泡沫金屬鋁的空隙率為0.9，復(fù)合相變材料占整個(gè)水箱體積的50%，每根水管周圍的相變材料都不會(huì)太厚，使得傳熱過(guò)程時(shí)間相對(duì)較短．石蠟、水以及鋁的物理特性見(jiàn)表１．

表1　石蠟、水、鋁的物性參數(shù)

1.2　數(shù)學(xué)模型

從傳熱學(xué)方面看，石蠟熔化過(guò)程固液相問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是相變的傳熱問(wèn)題，又稱作斯蒂芬問(wèn)題，對(duì)于相變材料，在固、液共存的兩相間有一個(gè)分界面，它是具有一定寬度的兩相糊狀區(qū)，相界面隨著石蠟熔化或凝固的進(jìn)行，伴有潛熱吸收或者釋放．石蠟相變時(shí)液相會(huì)產(chǎn)生自然對(duì)流，這是因?yàn)闇囟茸兓斐傻模?/p>

相變問(wèn)題最難處理的地方就是對(duì)相界面的追蹤[19]，目前，常用的解決方案是利用焓-孔隙率的計(jì)算方法處理熔化/凝固問(wèn)題[20]．在該方法中，利用液相分?jǐn)?shù)來(lái)間接地描述相變面的變化過(guò)程．顧名思義，液相分?jǐn)?shù)就是整個(gè)蓄熱單元中液相區(qū)所占的比例．液體分?jǐn)?shù)的計(jì)算以焓的平衡為基礎(chǔ)進(jìn)行求解，并且在動(dòng)量方程中添加了合理的源項(xiàng)，用來(lái)計(jì)算由于固體材料的存在而產(chǎn)生的壓降．

焓法將蓄熱材料的溫度與焓一起看作求解變量，在整個(gè)計(jì)算區(qū)域建立起統(tǒng)一守恒方程，求出焓的分布，然后由已知的溫度和焓的關(guān)系式求得節(jié)點(diǎn)的溫度值．

流體滿足質(zhì)量守恒定律

焓守恒方程為

整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)量守恒，即

2　相變過(guò)程模擬

使用SolidWorks軟件對(duì)物體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維構(gòu)建，然后將文件導(dǎo)入ICEM CFD軟件內(nèi)，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了使得計(jì)算結(jié)果仿真較快、更容易收斂，采用的網(wǎng)格劃分方式為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，將網(wǎng)格調(diào)整到合適的大小，網(wǎng)格總數(shù)100萬(wàn)．

圖2　網(wǎng)格劃分

啟用基于壓力的Navier-Stokes求解算法，求解器設(shè)置為SAMPLE，以非穩(wěn)態(tài)式進(jìn)行求解；設(shè)置求解模型能量方程，采用k-ε湍流模型；側(cè)壁設(shè)為絕熱，箱內(nèi)初始溫度為300 K，進(jìn)口水溫為373 K，水流速度為0.004 m/s，流量約為5 L/min．整個(gè)計(jì)算過(guò)程在Dell服務(wù)器集群上使用ANSYS-FLUENT軟件完成．

3　模擬結(jié)果與分析

圖3　不同時(shí)刻下水管的溫度分布

對(duì)水箱內(nèi)的相變材料溫度進(jìn)行分析可知，由于水的流動(dòng)是水平方向，且基本穩(wěn)定向前，內(nèi)部的相變材料的傳熱基本是徑向的，在水平方向，可以視為下一截面是當(dāng)前截面的下一時(shí)刻，所以可以只對(duì)其中的一個(gè)切面進(jìn)行分析．

不同時(shí)刻下純石蠟（左）與加入泡沫金屬鋁形成的復(fù)合材料（右）的溫度分布見(jiàn)圖4．

圖4 純石蠟（左）和復(fù)合石蠟（右）填充水箱時(shí)同一截面不同時(shí)刻溫度分布

相變材料熔化時(shí)會(huì)吸收大量的熱量．不同時(shí)刻純石蠟相變材料（左）與復(fù)合石蠟相變材料（右）同一截面的熔化情況見(jiàn)圖5．

圖5　純石蠟（左）與復(fù)合石蠟（右）熔化情況

純石蠟與復(fù)合石蠟熔化率曲線見(jiàn)圖6．

圖6　純石蠟與復(fù)合石蠟熔化率曲線

4 結(jié)語(yǔ)

在石蠟相變材料中加入泡沫金屬制成的復(fù)合相變材料可以結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，復(fù)合石蠟材料的熔化速率大于純石蠟，既能大量蓄熱，還能有效地提升熱導(dǎo)率，使得蓄熱更快，并且通過(guò)快速蓄熱提升能源有效利用率，適合在相變蓄熱領(lǐng)域廣泛使用．選用的蓄熱水箱結(jié)構(gòu)中，水占的體積較大，是為了仿真的速度更快，更迅速地得出結(jié)果，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以縮小熱水管的直徑，增大相變材料的厚度，使得相變蓄熱水箱的蓄熱量有更大提升．

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Numerical simulation of the thermal storage process of foam metal aluminum/paraffin phase change

WU Yiyun，ZHANG Hong，YAN Jiangtao，XU Jiaju，QIAN Fugang，DING Shoujun，ZOU Yong

（School of Microelectronics and Data Science，Anhui University of Technology，Ma′anshan 243032，China）

Although solar thermal storage is a relatively mature solar energy technology，there are still some problems， such as unstable thermal energy storage，low efficiency of thermal energy utilization，discontinuous thermal storage and so on．The phase change heat storage device can solve these problems to a certain extent．Paraffin is selected as phasechange material because of its low price，small volume change during solid-liquid phase change，high latent heat of phase change and almost no supercooling．In view of the problems of poor thermal conductivity and slow heat storage of pure paraffin phase change material，the composite phase change material combined with foam metal aluminum and paraffin was used in the phase change heat storage device，and the heat storage process was numerically simulated．The results show that under the same working conditions，when the composite paraffin is completely melted，the pure paraffin is only melted by 70%．Therefore，the composite phase change material can effectively improve the heat storage rate，which is the heat storage capacity per unit time．

heat storage water tank；phase change material；heat conduction；foam metal aluminum；paraffin；numerical simulation

1007-9831（2023）09-0028-07

O29∶TK124

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.09.008

2022-08-25

安徽高校自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目（ KJ2021A0388）；安徽省雙基教學(xué)示范課程建設(shè)項(xiàng)目（2020-430）；安徽工業(yè)大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（202210360090）；安徽工業(yè)大學(xué)省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202110360324）；安徽工業(yè)大學(xué)校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2021046Y）

吳義云（2001-），男，安徽桐城人，在讀本科生．E-mail：1941406635@qq.com

鄒勇（1981-），男，安徽太和人，副教授，博士，從事電子封裝與散熱研究．E-mail：yongzou@ahut.edu.cn