相变式蓄热器强化传热方法的研究

相变式蓄热（换热）器强化传热方法的研究杨嵩（150437）（东南大学能源与环境学院，江苏省南京市，210000）摘要：本文主要对近些年以来在相变式蓄热（换热）器强化传热方面的部分研究成果进行简要介绍。在参考相关10多篇文献的基础下，作者针对性的选取了其中5篇进行综述，分别从蓄热（换热）器强化换热设计、表面强化结构、相变工质优化蓄热三个方面对相变式蓄热器的强化传热机理和效果进行了介绍。使用的方法主要涉及：建模推导公式、数值分析、实验对比等。关键词：蓄热器；强化传热；相变—液浴；非共晶相变；相变材料；换热工质0引言：长期以来，我国的经济增长都是依靠消耗大量的不可再生能源实现的，对于煤炭、天然气、石油以及其他化石能源的消耗均位于世界前列。据国家统计局公布的数据，2014年我国的能源消耗总量达到了42.6亿吨标准煤，其中煤炭占比66.0%，石油占比17.1%，天然气占比6.2%，其他新型能源只占到10.7%。与此同时，我国又是一个传统能源人均占有量极低的国家，能源紧缺、环境污染尤其是大气污染等问题日益凸显，严重制约着我国施行的可持续发展战略。如何提高能源利用率，有效节约资源，等，逐渐成为社会各界关注的焦点，大量学者正致力于这一方向的研究。相变式蓄热（换热）器作为一种新型的储能装置，主要应用于废热和余热的储存和利用，已越来越广泛的使用在生产生活中，其运行机理简单，即利用相变材料(PCM:phasechangematerial)的固液相变过程来完成能量的存储和释放。其优点是容积小,蓄热密度大,恒温放（吸）热。根据不同的实际应用，相变式蓄热器的种类众多，但是强化传热的措施大致为：1、针对相变工质的强化传热。2、蓄热（换热）器强化传热结构的设计。3、表面结构和各种肋结构，等。本文将结合计算、模拟及实验对以上几点强化方案进行具体分析。1几种基于结构设计的强化方案1.1列管式相变蓄热器考虑到列管式换热器具有传热面积大、结构紧凑、操作弹性大等优点，可以有效弥补相变式蓄热中相变工质导热率低、储能、释能速率低等弱点。有人将它作为一种强化传热的设计方案提出，并做出了相关工作，其中包括：对采用内肋片强化换热的列管式相变蓄热器的储热过程进行数值模拟，研究了列管的排列方式以及PCM导热系数对蓄热器储热速率的影响，为列管式相变蓄热器的设计及性能优化提供依据。[1]1.1.1物理和数学模型以正三角形叉排排列的列管式相变蓄热器为物理模型（图1），热空气从左端入口，通图1过均流孔板后流经封装PCM各单管管列，与PCM进行热量交换，经换热后从右端流出。设计各单管管径为46mm，管壁厚2mm；一般认为管间距与管径比值（中心距）在1.25以上为宜，取管间距为64mm，比值为1.28。基于叉排列管的对称性化，取模型中一个单元区域进行计算和模拟。蓄热器简化模拟模表1型如图2所示，所用PCM及HTF的物性参数见表1。图2PCM熔化过程采用焓-孔隙率模型，此模型用液相率（β）来描述PCM的物态。即当β=1时，PCM为液态，β=0时，PCM为固态，而当0β1时，PCM处于相变状态。焓-孔隙率模型假设液相率等于孔隙率，其计算方式如式(1)所示连续性方程：动量方程：能量方程：其中的能量方程可以将对流项省略，不考虑内热源，简化得到：，其中：式中，H为PCM的总焓值，kJ/kg；href为参考温度下的焓值，kJ/kg；ρ为PCM的密度，kg/m3；Tref为参考温度，K；Cp为定压比热容，J·/(kg·K)；λ为导热系数，W/(m·K)；L为相变潜热，kJ/kg；T为任意时刻温度，K；TS为PCM凝固温度，K；TL为PCM熔化温度，K；SE为能量方式源项；SK为动量方程源项。该项中的ε为一个很小的常数，取值为0.0001，避免分母等于零；Amush为模糊区常数，反映相变前沿形态，常取值为104~107；pv为随着熔化进行固相脱离模糊区的牵引速度。该源项为表述由于固相材料的存在而产生的压降。1.1.2数值模拟结果分析及结论图3所示为特定流体工况条件下（雷诺数Re=4871、史蒂芬数Ste=0.331）的流线图，我们可以看到在低雷诺数的工况条件下，列管式蓄热器内HTF与PCM的换热存在以下特点：一是管束前段冲刷充分，换热系数较高，具有良好的换热效果。从图4中可以看出前段前部温度较高；管束后段由于流动进入负压力梯度阶段，使得分离点后边界层从管束壁面脱离，尽管此区域仍存在马蹄形漩涡系，但是在一般流速下对传热的强化影响图3甚微，因此传热效果减弱。图4中可以看到管子后部的温度较低。图4图5Nfn=0Nfn=1Nfn=21.1.3列管的排列方式对储热性能的影响通过实验可以得出正三角形排管PCM熔化时间要比正方形排管少，也就是说在其他条件相同的情况下，前者的储热速率更快。这主要是因为与正方形相比正三角形的结构更紧凑，对流体的扰动和被流体冲刷的程图6度更剧烈。这两种结构对于储热换热性能则影响不大。1.1.4内置肋片对储热换热性能的影响如图5中设计三种不同内置肋片的管子，然后分析运行同一时段后的换热效果，根据图6可以清晰的看出具有十字结构的2肋片结构换热效果最佳，其次是1肋片结构，最差是无肋片光管。实验得出使用最后一种十字肋片结构可以使得PCM完全熔化时间缩短52.6%，因而强化传热效果明显。1.1.5PCM导热系数对传热性能的影响根据实验得出，PCM导热系数对相变过程的影响很大，体现在导热系数大，熔化时间越短，特别是当PCM导热系数小于1.0W/(m·K)时，该参数对蓄热器的换热效果作用最为明显。1.2相变-液浴式换热器的设计原理及性能分析[2]1、常压相变-液浴式换热器的工作原理图7先介绍“相变换热”和“液浴换热”的概念。所谓液浴换热指的是这样一种换热方式：换热室中充满液态热媒介质,放热和吸热流体换热面都被淹没在液态热媒之中,液态热媒吸收放热流体的热量后上浮、将热量传给吸热流体后下沉,当热媒的上浮与下沉同时进行时,热量即连续不断地从放热流体传递至吸热流体。根据热媒介质是否饱和又可将这种传热方式分成饱和液浴式换热和过冷液浴式换热。所谓相变换热指的是换热室中热媒介质的液位处在吸热流体换热面和放热流体换热面之间,放热流体换热面淹没在液态热媒中,吸热流体换热面暴露在液面上方的汽态热媒中,液态热媒通过放热流体换热面吸收放热流体的热量后蒸发并上升至汽态空间,汽态热媒通过吸热流体换热面将热量释放给吸热流体后凝结并滴回液态热媒中,当蒸发与凝结同时进行,且蒸发量与凝结量保持相等时,液态热媒的液位不变,热量即连续不断地从放热流体传递至吸热流体。此时,放热流体换热表面上的换热方式为沸腾换热,吸热流体换热表面上的换热方式为凝结换热。本节所研究的“相变-液浴并存换热器”（如图7所示）是基于以上两种换热方式的组合，是指吸热流体换热面的一部分淹没在液态热媒之中处于“饱和液浴换热”状态,而其余部分暴露在汽态热媒之中处于“相变换热”状态的两种换热方式并存的换热方式。其实验装置设计如图8所示。2、实验方法和结果分析在进行“过冷液浴换热”实验时,先将换热室内的热媒水闷烧至85℃左右,然后打开循环水调节阀,调节循环水流量和电加图8热量,使热媒水的温度逐渐逼近90℃,并保持在90℃左右,在15min之内若热媒水温度的波动小于1℃,即可认为达到稳态,并记录实验数据。在进行“饱和液浴换热”实验时,先将热媒水加热至接近100℃,然后调节循环水流量和电加热量,使热媒水的温度保持在100℃,循环水换热管全部淹没在热媒水中,在15min之内若热媒水的水位波动很小时,即可认为达到稳态,并记录实验数据。在进行“相变换热”实验时,首先将热媒水加热至沸腾,通过排气阀排除不凝结性气体,然后关闭排气阀继续加热,使热媒水通过连通管排至膨胀箱,循环水换热管完全暴露在热媒水位之上,最后细调循环水流量和电加热量,在15min之内若热媒水的水位波动很小,即可认为达到稳态,并记录实验数据。实验中测得的数据主要有:循环水流量、循环水进出口温度、热媒水温度、调压器电压等。换热器模型的主要参数有:循环水管的规格尺寸、电加热器的电阻等。通过对这些数据和参数的处理,可分别得出三种传热图9方式下循环水换热面上的热流密度q、传热系数k随管内循环水Re数的变化情况。对于实验结果我们只截取了管外传热系数k进行分析，如图9所示，在不同的雷诺数下我们通过上述实验方法分别得出了“过冷液浴传热”、“相变-液浴传热”以及“相变传热”三种情况下管外传热系数k与雷诺数之间的关系，将其绘与一张图中进行比较。我们可以看出：总体来说,传热效果较好的换热方式依次是:“相变换热”、“饱和液浴换热”和“过冷液浴换热”。而且随着管内雷诺数的增加，三种传热方式的传热效果朝着差异更明显的趋势发展。分析其原因,在管内Re数很小时,管内热阻在整个传热过程中所占的比重较大而管外热阻所占的比重较小,此时把管外的换热方式由“过冷液浴换热”改善为“饱和液浴换热”或“相变换热”,对总体传热效果的增强都不甚明显。但在管内Re数较大时,管外热阻所占的比重较大,此时把管外的换热方式由“过冷液浴换热”改为“饱和液浴换热”以及进一步改为“相变换热”,传热效果就依次明显增强了。经过实验研究我们可以看出“常压相变-液浴换热器”的优点体现在将“液浴”和“相变”两种换热方式巧妙结合起来，通过控制热媒介质液面高度来优化传热效果并保证足够的污垢附加负荷，使得在高负荷设计工况下利用“相变”强化换热，在低负荷设计工况下利用“液浴或部分液浴”降低传热系数，并在运行一段时间产生污垢后能继续维持稳定负荷。因而“常压相变-液浴换热器”不仅是一种强化换热设计更是一种优化设计。2强化传热表面结构及几何形状的研究虽然相变式蓄热器具有突出的优点，但是其缺点也较为明显，由于相变介质固态传热热阻一般很大，这就使得壁面处的相变工质一旦凝固，传热效果便会恶化，对蓄热（传热）器的运行负荷产生了极大的制约。针对这一难题，主要的缓解方法有两种：1、强化传热表面结构、几何形状（如肋片、弯管等），2、选择合适的相变材料，利用添加物改变相变材料性质，等。下面首先介绍前者。2.1一种利用弯管强化相变储热传热的方法本节主要对采用弯管流体通道加强换热的储热换热器进行模拟研究。研究结果与直管通道的储热换热器进行比较，同时分别对比研究了不同进口温度和进口速度对换热行为的影响。[3]图10这里使用热焓模型，将相变区域看成多孔介质，根据孔隙率（液相率）来判断材料所处的相态，建立方程和边界、初始条件（详细公式及建模过程请参见文献[3]），选用的PCM和流体材料分别为：氢氧化钠和三硝酸盐。对图10所示（a）、（b）两种管子进行不同工况下的数值模拟。下面我们来对结果进行分析。2.1.1直管和弯管对比图11图11所示的是直管M1和弯管L1在加热流体进口温度为613K、流速为0.54m/s工况下，PCM熔化速率函数。可以很容易的看出，L1要比M1更快地熔化，其完全熔化时间缩短20%，显著提高了蓄热器的传热性能。其原因是：首先，在L1与M1体积相同的情况下，弯管的外表面积要大于直管的外表面积，所以弯管增加了换热面积；其次，由于弯管内部流体的流动产生二次流，提高了换热系数，加快了换热进程。2.1.2进口流速、进口温度对储热的影响通过模拟研究，还得出了加热流体在不同进口流速和温度条件下的PCM熔化速率，如下图所示。图12显示的是在相同入口温度（613K）条件下，改变入口流速对熔化速率的影响。不难发现，当入口速度大于0.54m/s后，PCM熔化时间随速度的增加略微缩短。尤其是熔化率低于90%的阶段，不同入口速度下的熔化速率几乎相同。可见当进口速度大于0.54m/s时，加热流体速度不是影响蓄热性能的主要因素。图13显示的则是相同入口速度条件下（0.54m/s），不同入口温度对熔化速率的影响。从模拟结果可以看出，进口温度提高对PCM的熔化有显著影响。在温度从600K提高到613K的情况下，熔化时间缩短45.8%。进口温度的升高使换热温差增大，加快了熔化速度，并且效果要明显好于增加进口速度的方法。图12图132.1.3弯管