1、第4 4卷第1期河 北 科 技 大 学 学 报V o l.4 4,N o.12 0 2 3年2月J o u r n a l o fH e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yF e b.2 0 2 3 文章编号:1 0 0 8-1 5 4 2(2 0 2 3)0 1-0 0 2 9-0 8自然对流对套管式相变蓄热器蓄热性能的影响蒋静智,彭培英,崔海亭,宋庆松,陈正佳(河北科技大学机械工程学院,河北石家庄 0 5 0 0 1 8)摘 要:针对蓄热器内相变材料融化、相变区域自然对流换热过程中蓄热效率不确定问
2、题,以套管式相变蓄热器为基本结构,以添加质量分数为1 0%膨胀石墨的石蜡作为相变蓄热材料,采用数值模拟的方法研究由重力引起的自然对流对相变蓄热器蓄热性能的影响。结果表明,固液相密度差引起的自然对流对相变蓄热过程有明显的促进作用,数值模拟过程中,考虑与不考虑自然对流时,蓄热器的蓄热时间相差近2倍;不同区域相变材料受自然对流的影响不同,在相变材料融化前期,套管上方由于液相自然对流的影响,融化速率更快。根据蓄热器融化速率和融化状态的特点,通过传热过程理论分析,将融化过程进行分段,可以更加深入地了解蓄热器蓄热过程的机理和规律,为优化蓄热器结构提供理论依据。关键词:太阳能;相变蓄热;自然对流;数值模拟;
3、传热分析中图分类号:T K 0 2 文献标识码:A D O I:1 0.7 5 3 5/h b k d.2 0 2 3 y x 0 1 0 0 4 收稿日期:2 0 2 2-0 7-1 4;修回日期:2 0 2 3-0 1-0 8;责任编辑:冯 民基金项目:河北省自然科学基金(E 2 0 1 9 2 0 8 3 4 5)第一作者简介:蒋静智(1 9 7 2),女,河北阜城人,教授,博士,主要从事强化传热及储能方面的研究。E-m a i l:j j z h i 2 0 0 01 2 6.c o m蒋静智,彭培英,崔海亭,等.自然对流对套管式相变蓄热器蓄热性能的影响J.河北科技大学学报,2 0 2
4、 3,4 4(1):2 9-3 6.J I AN GJ i n g z h i,P E N GP e i y i n g,C U IH a i t i n g,e ta l.E f f e c to fn a t u r a l c o n v e c t i o no nh e a ts t o r a g ep e r f o r m a n c eo f t u b u l a rp h a s ec h a n g eh e a ta c c u m u l a t o rJ.J o u r n a l o fH e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e
5、 n c ea n dT e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 4(1):2 9-3 6.E f f e c to fn a t u r a l c o n v e c t i o no nh e a t s t o r a g ep e r f o r m a n c eo ft u b u l a rp h a s ec h a n g eh e a t a c c u m u l a t o rJ I ANGJ i n g z h i,P E NGP e i y i n g,C U IH a i t i n g,S ONGQ i n g s o n g,CHE NZ h
6、 e n g j i a(S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,H e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,S h i j i a z h u a n g,H e b e i 0 5 0 0 1 8,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h eu n c e r t a i t yo fh e a t s t o r a g e e f f i c i e n c yd u r i n g
7、 t h em e l t i n gp r o c e s so fp h a s e-c h a n g em a t e r i a l s i n t h eh e a ta c c u m u l a t o ra n dt h en a t u r a lc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rp r o c e s si nt h ep h a s e-c h a n g er e g i o n,t h ei n f l u e n c eo fn a t u r a lc o n v e c t i o nc a u s e db y
8、g r a v i t yo nt h eh e a t s t o r a g ep e r f o r m a n c eo f t h ep h a s ec h a n g eh e a ts t o r a g ew a ss t u d i e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o nw i t ht h e t u b e-t y p es o l a rp h a s ec h a n g ea c c u m u l a t o ra st h eb a s i cs t r u c t u r ea n dt h ep a r a
9、f f i nw i t h1 0%e x p a n d e dg r a p h i t ea st h eh e a ts t o r a g em a t e r i a l.T h er e s u l t ss h o w t h a tt h en a t u r a lc o n v e c t i o nc a u s e db ys o l i d-l i q u i dd e n s i t yd i f f e r e n c eh a sa no b v i o u sp r o m o t i n ge f f e c to nt h ep h a s ec h a
10、 n g eh e a t s t o r a g ep r o c e s s.T h eh e a t s t o r a g et i m eo f t h eh e a ta c c u m u l a t o rc o n s i d e r i n gn a t u r a lc o n v e c t i o ni sn e a r l yt w i c et h a to ft h eh e a ta c c u m u l a t o rw i t h o u tc o n s i d e r i n gn a t u r a lc o n v e c t i o n.T h
11、 ei n f l u e n c eo fn a t u r a lc o n v e c t i o no np h a s ec h a n g em a t e r i a l s i ne v e r yr e g i o n i sd i f f e r e n t.I nt h ee a r l ys t a g eo fm e l t i n go fp h a s ec h a n g em a t e r i a l s,t h e河 北 科 技 大 学 学 报2 0 2 3年m e l t i n gr a t ea b o v e t h e i n n e r t u
12、 b ei sf a s t e rd u et ot h ei n f l u e n c eo fn a t u r a lc o n v e c t i o no f l i q u i dp h a s e.B a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h em e l t i n gr a t ea n dm e l t i n gs t a t eo f t h eh e a t a c c u
13、 m u l a t o r,t h em e l t i n gp r o c e s si ss e g m e n t e d,w h i c hc a nf u r t h e ru n d e r s t a n dt h eh e a ts t o r a g ep r o c e s so ft h eh e a ta c c u m u l a t o ra n dp r o v i d ec e r t a i nt h e o r e t i c a lg u i d a n c e f o ro p t i m i z i n gt h es t r u c t u r
14、eo f t h eh e a t a c c u m u l a t o r.K e y w o r d s:s o l a re n e r g y;p h a s ec h a n g eh e a t s t o r a g e;n a t u r a l c o n v e c t i o n;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;h e a t t r a n s f e ra n a l y s i s 为实现“碳达峰、碳中和”目标,可再生能源的兴起与发展对中国结构转换、动能转变、低碳转型具有重要的意义1。太阳能、风能、地热能、生物质能都是环
15、保、清洁的能源,也是满足全球能源需求的潜在候选者。但是大多数可再生能源,如太阳能、风能、潮汐能,是间歇或循环能源,在时空尺度上供需不匹配2。相变蓄热系统作为解决能源供应时间与空间矛盾的有效手段,是提高能源利用率的重要途径之一,也是中国实现可持续发展、高质量发展的必由之路3。高效相变储能成为中国当前能源利用的研究热点问题4-5。近年来,针对相变储能技术,从相变材料的制备到相变蓄热器的结构设计均取得了许多研究成果6-1 5,对于实际应用中传热效率更高的相变材料的筛选和蓄热时间更短、效率更高的蓄热器结构的设计均取得了良好的指导作用。随着相变储能技术研究的不断深入,相变蓄热过程中,相变区域液相在重力作
16、用下的自然对流对蓄热融化过程的影响受到了研究者们的广泛关注。F O R NA R E L L I等1 6对管壳式蓄热装置中自然对流及糊状区常数进行了研究,结果表明,自然对流能增加热通量,可以减少近3 5%的蓄热时间;糊状区常数的影响不可忽略,虽然其对总蓄热时间影响较小,但是延迟了蓄热过程中的对流,对蓄热器融化状态有较大影响。S E D D E GH等1 7发现在融化过程中,主要的传热模式是对流传热,且自然对流能增强换热,导热是凝固过程中的主要传热方式。邹勇等1 8建立了同心套管管壳式相变蓄热器的二维模型,以计算流体力学软件的凝固/融化模型为基础,对石蜡相变材料的融化过程进行多次仿真模拟,结果表明,自然对流对石蜡融化过程起着重要作用,对流极大加速了石蜡的融化进程。吴学红等1 9分析了相变材料区域蓄热过程的数据,结果发现,随着蓄热过程的进行,对流换热的比重逐渐增大。由此可见,蓄热器融化过程中,相变区域自然对流换热过程是影响蓄热器蓄热效率的一个重要因素。本文以套管式相变蓄热器为基本结构,以添加质量分数为1 0%膨胀石墨的石蜡作为蓄热材料,采用数值模拟方法研究套管式太阳能相变蓄热器的传热特性,
