泡沫金屬基相變蓄熱單元管蓄熱性能研究

摘 要：用LB方法研究了相變蓄熱單元管內融化過程，以蓄熱量及融化速率為評價標準分析了不同操作參數及泡沫金屬結構對相變蓄熱單元管的強化蓄熱作用。填充泡沫金屬有利于提高管內的融化速率，是一種可行、高效的方法。泡沫金屬的結構對融化速率影響較大，孔隙率越小融化速率越高，但孔隙率的減小使得單管內相變材料裝載量急劇下降;泡沫金屬體積熱容越大，溫度變化越慢，不利于融化速度的提升;導熱系數對融化速率的影響較大，導熱系數越高相變材料融化越快，同一時間段內，管內整體溫度相對較高，蓄熱量大。

關鍵詞：LB方法;蓄熱量;泡沫金屬;融化速率

中圖分類號：TK124" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）04-0067-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.04.017

0" " 引言

對比顯熱蓄熱，潛熱蓄熱有儲能密度高、溫度變化小等優點[1]。相變蓄熱材料導熱系數普遍較低，嚴重制約了相變蓄熱器的蓄熱性能[2]。LB方法（Lattice Boltzmann Method，格子玻耳茲曼方法）是一種基于介觀（mesoscopic）模擬尺度的計算流體力學方法，本文將運用LB方法，探討填充泡沫金屬的相變蓄熱單元管蓄熱性能，以蓄熱量和蓄熱速率為參考，重點分析導熱系數、比熱容、密度、孔隙率等參數對相變速率的影響，并對比了填充和未填充泡沫金屬時相變蓄熱單元管的蓄熱性能。

1" " 相變蓄熱模型建立與計算

1.1" " 物理模型

相變蓄熱單元管結構如圖1所示，管長L=1.6 m，蓄熱管直徑D=65 mm，其內填充了相變材料（Phase Change Material，PCM），融化溫度Tmelt=60 ℃。為加強相變及凍融速率，管內加入了高孔隙率的泡沫金屬，蓄熱時，高溫載熱流體以一定流速從管子上方流過，溫度為Th，橫向沖刷管束，熱量通過管壁及泡沫金屬傳遞給相變材料，蓄熱過程分為三步：相變前的顯熱儲熱，相變時的潛熱儲熱以及相變后的顯熱儲熱。當管內溫度達到指定溫度時，蓄熱結束[2]。

為了便于數值研究，現做如下簡化與假設：

（1）忽略管壁熱阻，假定溫度直接加在相變材料的上節點;

（2）忽略孔隙結構不規則引起的軸向溫度不均勻;

（3）相變材料融化為定溫融化。

1.2" nbsp; 操作參數

蓄熱管中以三水合醋酸鈉為相變材料，泡沫金屬鋁為填充材料。相變材料物性參數如下：密度為1 450 kg/m3，比熱容為3 220 J/（kg·K），潛熱值為264 kJ/kg，導熱系數為0.6 W/（m·K）[3-5];泡沫金屬鋁的物性如下：密度為2 780 kg/m3，比熱容為1 092 J/（kg·K），導熱系數為181 W/（m·K），孔隙率為0.9，孔隙直徑為1.27 mm。

探討不同操作參數及物性參數對蓄熱性能的影響，所選參數如表1和表2所示。

2" " 結果與分析

2.1" " 模型驗證

研究固、液相變時，需利用焓法來追蹤相變界面[6-8]，為了驗證焓法處理的正確性，對純相變材料的融化進行了模擬。為了不失一般性，在驗證時采用一維模型，所得結果與解析解進行對比，如圖2所示。

2.2" " 融化速率對比

圖3為骨架與相變材料之間的換熱項Fo=0.005 7和Fo=0.011 36時，填充和未填充泡沫金屬時管內相變材料的徑向溫度分布，對比發現，填充泡沫金屬后相變速率得到了很大提升，泡沫金屬的存在使得相變模糊區變得很大，有明顯的恒溫區間，而未填充泡沫金屬情況下則未出現明顯的恒溫區間;相同時間間隔內，填充泡沫金屬時相變界面移動快，徑向溫度梯度小，管內溫度更加均勻，故在相變材料中填充泡沫金屬是一種可行、高效的方法。

2.3" " 蓄熱時間的影響

圖4為填充泡沫金屬后蓄熱管內相變材料時刻不同情況下徑向溫度分布，由圖可知，時間不斷推進，相變模糊區在變大，值得注意的是，隨著相變模糊區的下移，雖然液相區溫度下降的趨勢區域平緩，但靠近模糊區部分的溫度梯度仍較大，這主要是由于相變材料潛熱較大，融化時需吸收大量的熱[9-10]。圖5為Fo=0.000 28～0.011 36時，泡沫金屬與相變材料之間的溫差，由圖可知，蓄熱初始，兩者之間的溫差較大，但隨著時間的推移，溫差越來越小，非熱平衡效應逐漸降低;四條曲線趨勢相似，都存在一個最大溫差值，這主要是因為相變時融化吸熱，而相變材料溫度卻不變，這加大了兩者之間的溫差。由此可見，在處理泡沫金屬內固、液相變問題時用非熱平衡理論更加精確，更符合實際情況。

2.4" " 流體溫度對融化的影響

圖6為Fo=0.002 8時進口溫度不同情況下相變材料徑向溫度分布，從圖中可以看出，流體進口溫度越大，融化速率越快、模糊區范圍越大，液相區域的溫度梯度也越大，這主要是因為進口流體溫度越高，相變材料與泡沫金屬之間的溫差越大，換熱效果越好，導致相變模糊區范圍變大。圖7為蓄熱管內相變材料全部融化時四種溫度下的蓄熱量，由圖可知T進=90 ℃時蓄熱量最大，達到2 523 kJ。因此，可以通過提高流體進口溫度來提高相變蓄熱系統的蓄熱性能。

2.5" " 蓄熱管直徑對融化的影響

圖8為蓄熱管直徑在35～74 mm變化時相變材料徑向溫度分布，蓄熱管直徑越小，相對融化速率越高，管內平均溫度相對較高，這主要是因為管徑較小時蓄熱材料量也較少，融化時間自然縮短，但是小直徑管帶來了蓄熱量變小的問題，需要增加蓄熱管的數量來達到總蓄熱量。

2.6" " 泡沫金屬物性對融化的影響

2.6.1" " 導熱系數對融化的影響

圖9為Fo=0.011 36時四種不同導熱系數下相變材料徑向溫度分布，由圖可知，導熱系數的增大使得液化率變高，管子內相變材料的溫度較高，這是因為泡沫金屬的導熱系數越高，其提升溫度的能力越強，相變材料與泡沫金屬的非熱平衡效應越大，強化了傳熱，因此相變材料全部融化時，填充高導熱系數泡沫金屬的PCM溫度較高，蓄熱量大，這與圖10所得出的結論是一致的。

2.6.2" " 比熱容對融化的影響

圖11為Fo=0.002 8時四種比熱容下相變材料徑向溫度分布，從圖中可以看出，Cp=500 J/（kg·K）時相變模糊區最大，隨著比熱容的增大模糊區域變窄，相變材料溫度相對較低。這是因為相同吸熱量下，比熱容越小溫升快，這增加了泡沫金屬與相變材料之間的非熱平衡效應，強化了傳熱，由于相變模糊區較大，相變所需熱量也較大，故液相區的溫度梯度較大。圖12為不同比熱容下相變材料全部熔化時所儲存的熱量，由圖可知，比熱容越小所能存儲的熱量值就越低，盡管較小的比熱容值能夠強化蓄熱，但會影響最終蓄熱量。

2.6.3" " 密度對融化的影響

圖13為密度ρ=1 200、2 000、2 780、4 000 kg/m3時相變材料徑向溫度分布，由圖可知，密度越小，相變模糊區越大，蓄熱管內整體溫度相對較高，從熱擴散系數的公式中可知，當導熱系數一定時，熱擴散系數與密度和比熱容的乘積成反比，故對于熱量的擴散，密度與比熱容作用相似。圖14為四種密度下的蓄熱量，密度越大，蓄熱量越大。盡管泡沫金屬密度的增大有利于蓄熱量的增加，但會帶來單管重量的增加，不利于移動式蓄、供熱。

2.7" " 孔隙率對融化的影響

圖15為Fo=0.002 8、孔隙率ε在0.8～0.95變化下相變材料徑向溫度分布，從圖中可以發現，孔隙率越小融化速率越高，這是因為孔隙率減小的情況下，相變材料所占空間變小，所需融化的PCM量變少，必然導致蓄熱量的減小，這與圖16所示結果一致。另一方面，骨架體積的增大強化了兩者之間的換熱，提高了融化速率。綜合兩幅圖可以發現，孔隙率對蓄熱量的影響極大，但當孔隙率增大到0.9時，融化速率減小的趨勢緩解，故在保證蓄熱量的前提下，ε=0.9是一個較好的選擇。

3" " 結論

本文利用LB方法研究了相變蓄熱單元管內融化過程，以融化速率及蓄熱量為評價標準分析了不同操作參數及泡沫金屬結構對相變蓄熱單元管的強化蓄熱作用，結果表明：填充泡沫金屬的融化速率明顯高于未填充時的融化速率，但由于蓄熱材料量的減小，總蓄熱量變少;泡沫金屬結構對融化速率影響較大，孔隙率越小融化速率越高，但孔隙率的減小將使得單管內相變材料裝載量急劇下降，但當孔隙率增大到0.9時，融化速率減小的趨勢緩解，故在保證蓄熱量的前提下，ε=0.9是一個較好的選擇;泡沫金屬體積熱容越大，溫度變化越慢，不利于融化速率的提升;導熱系數對融化速率的影響較大，導熱系數越高相變材料融化越快，管內溫度相對較高，同一時間段內，蓄熱量越多。

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收稿日期：2023-10-19

作者簡介：郭丹丹（1991—），女，江蘇鹽城人，碩士，講師，主要從事機械設計及智能制造相關的研究工作。

通信作者：劉德飛（1990—），男，江蘇儀征人，碩士研究生，研究方向：化工過程機械。