淺論基于復(fù)合相變材料儲熱單元的儲熱特性論文
儲熱技術(shù)，特別是相變儲熱技術(shù)是合理有效利用現(xiàn)有能源、優(yōu)化使用可再生能源和提高能源利用效率的重要技術(shù)。相變儲熱技術(shù)利用材料的相變潛熱來實(shí)現(xiàn)能量的儲存和利用，是緩解能量供求雙方在時(shí)間、強(qiáng)度及地點(diǎn)上不匹配的有效方式。為了使相變儲熱技術(shù)得到更進(jìn)一步的發(fā)展，需要克服包括從儲熱材料到儲熱系統(tǒng)等的一系列問題。對于儲熱材料，需要克服其熱導(dǎo)率低和與封裝材料不可兼容等缺點(diǎn);對于儲熱單元和儲熱系統(tǒng)，需要克服界面熱阻高、使用壽命周期短和儲/放熱速率不可控等缺點(diǎn)。
1數(shù)學(xué)模型
1.1物理模型
復(fù)合材料被制備成實(shí)心圓柱體和空心圓柱體兩種形狀分別放置于單管單元體和同心管單元體中。為了對比研究兩種單元體的儲熱性能，保持置放于單元體中的復(fù)合材料體積一致。對于單管儲熱單元，復(fù)合材料直徑為60mm，厚度為15mm。單元筒體長度為300mm，筒體外徑為68mm，壁厚為3mm;對于同心管儲熱單元，復(fù)合材料外徑為62mm，內(nèi)徑為15.6mm，單元體外管直徑為70mm，內(nèi)管直徑為7.6mm，壁厚為3mm，筒體長度同為300mm。
1.2數(shù)學(xué)模型
1.2.1復(fù)合材料和傳熱流體的控制方程
由于復(fù)合材料在熱能的存儲過程中，超微多孔通道產(chǎn)生的毛細(xì)張力能保持熔鹽在陶瓷基體內(nèi)不流出，能保持材料整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在復(fù)合材料的制備過程中，陶瓷基體被燒結(jié)形成致密的多孔介質(zhì)，熔鹽和熱導(dǎo)率提高材料填充在其產(chǎn)生的空隙中。因此，對于這種復(fù)合材料內(nèi)部的傳熱過程，可以認(rèn)為是一種微孔介質(zhì)中的傳熱。但是這種多微孔介質(zhì)內(nèi)部的傳熱是一種十分復(fù)雜的物理過程，往往伴隨有顆粒間的熱傳導(dǎo)、微孔間的自然對流及熱輻射。然而，由于微孔所占材料體積比較小，在本文的計(jì)算中，發(fā)生在微孔里面的自然對流和熱輻射可以忽略，僅僅只考慮顆粒間的熱傳導(dǎo)，因此，復(fù)合材料和傳熱流體區(qū)域可以簡化成二維模型進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)為了進(jìn)一步簡化數(shù)值模型，對模型也做如下假設(shè)：
①相變?nèi)埯}只有一個(gè)熔點(diǎn);
②傳熱流體的熱物理參數(shù)為常數(shù)且被認(rèn)為是牛頓流體;
③傳熱流體的入口速度和入口溫度均勻且為常數(shù);
④儲熱單元體內(nèi)復(fù)合材料模塊間存在很薄的空氣層，并以此來計(jì)算其間的接觸熱阻。
1.2.2邊界條件和初始條件
本文選取制備復(fù)合材料的原材料及單元體封裝材料的物性參數(shù)。計(jì)算過程中，進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件，出口采用自由流出口邊界條件(壓力梯度為0);吸熱過程中，入口傳熱流體溫度固定為873K，復(fù)合材料初始溫度為473K;放熱過程中，入口傳熱流體溫度固定為473K，復(fù)合材料初始溫度為873K。除既定設(shè)置壁面外，其余外壁采用絕熱壁邊界條件。
2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)過程
為了驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性，本文以單管儲熱單元為實(shí)驗(yàn)對象搭建了實(shí)驗(yàn)平臺來進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)裝置由3部分組成，即加熱爐、單管儲熱單元和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。不銹鋼加熱爐的內(nèi)徑為0.22m，長度為1.4m，外壁包裹著絕熱材料。裝滿復(fù)合儲能材料的單管儲能單元體放置于爐子中心。空氣作為傳熱流體被燃?xì)饧訜岷笸ㄟ^進(jìn)氣管進(jìn)入爐腔，其流量通過入口的流量計(jì)來控制。空氣的入口溫度及單管儲熱單元體內(nèi)的溫度測量采用K型鎧裝熱電偶。吸熱過程中，空氣的入口流量保持為30.1Nm3/h;放熱過程中，空氣的流量保持為28.5Nm3/h。對于吸熱過程，當(dāng)爐中所有熱電偶所測溫度與傳熱流體溫度一致時(shí)，視為儲熱單元體吸熱完成;同樣對放熱過程，當(dāng)所有熱電偶測的溫度與流體溫度一致時(shí)，視為儲熱單元體放熱完成。
3數(shù)值模擬結(jié)果與分析
3.1模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較
可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果比較吻合。對于儲熱過程，儲熱單元里的溫度變化經(jīng)歷3個(gè)階段。第一階段為顯熱儲熱階段，溫度快速上升達(dá)到相變溫度;第二階段為相變儲熱階段，此時(shí)相變發(fā)生，溫度保持在相變材料的相變溫度;第三階段為顯熱儲熱階段，溫度相變溫度上升達(dá)到傳熱流體的溫度。可以看出，復(fù)合材料在2700s時(shí)開始相變，整個(gè)相變過程持續(xù)時(shí)間約為2000s。同樣地，對于放熱過程，儲熱單元里溫度也經(jīng)歷3個(gè)過程。放熱開始時(shí)，溫度快速下降直至相變點(diǎn)，然后保持到相變開始，此時(shí)復(fù)合材料中的相變材料由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。之后溫度繼續(xù)下降到與傳熱流體一致。同時(shí)從圖中還可以看出，對于測點(diǎn)T1和T2，不管是儲熱過程還是放熱過程，兩點(diǎn)溫度變化曲線比較接近。這是因?yàn)樘砑恿藷釋?dǎo)率提高材料，復(fù)合材料熱導(dǎo)率比較高，所以其儲熱和放熱過程比較快。這也驗(yàn)證了之前的假設(shè)是可行的，復(fù)合材料中的傳熱主要以導(dǎo)熱為主，發(fā)生在微孔里面的自然對流和熱輻射可以忽略。由于在實(shí)驗(yàn)過程中，對于儲熱單元體，石墨顆粒用于填塞復(fù)合材料與管壁之間的縫隙，因此其真實(shí)熱導(dǎo)率是要大于模擬計(jì)算值的，這也是實(shí)驗(yàn)結(jié)果中儲、放熱過程要快于模擬結(jié)果的原因。實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果的對比說明了本文的計(jì)算模型能用于復(fù)合材料和儲熱單元體內(nèi)傳熱特性的計(jì)算。
3.2復(fù)合材料物理屬性的影響
在復(fù)合材料的制備過程中，不同比例的原材料混合制備出的復(fù)合材料熱物性也不盡相同。所以本節(jié)以單管儲熱單元體為對象，研究不同熱物性復(fù)合材料對單元體儲熱性能的影響。對于配比方案1，相變材料的質(zhì)量比保持在50%，陶瓷材料的質(zhì)量比為30%～45%，對應(yīng)的熱導(dǎo)率提高材料質(zhì)量比為20%～5%;配比方案2中，相變材料和陶瓷材料的質(zhì)量比保持為1∶1，熱導(dǎo)率提高材料質(zhì)量比變化范圍為5%～20%;配比方案3中，陶瓷材料的質(zhì)量比保持為50%，改變相變材料和熱導(dǎo)率提高材料的質(zhì)量比。
3.3傳熱流體流速的影響
外界操作條件(傳熱流體溫度、速度)對單元體儲熱性能的影響規(guī)律是單元體和儲熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為此，本節(jié)在前兩節(jié)的基礎(chǔ)上，對傳熱流體流速對單元體儲、放熱性能的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。流速研究范圍選定為0.1～8m/s，對應(yīng)的雷諾數(shù)[HTFinReUD()ρ]范圍為72.5～5800。可以看出，單管儲熱單元體的儲、放熱時(shí)間都隨著流速的增加而減少。當(dāng)流體流速從0.2m/s增大到8m/s時(shí)，單元體儲、放熱時(shí)間分別減少3.8倍和3.83倍，分別由28500s降到7500s，由23000s降到6000s。這是因?yàn)椋黧w流速的增加，流體與單元體之間的傳熱系數(shù)隨之增大，兩者之間的傳熱速率也隨之增大。所以當(dāng)傳熱流體流動(dòng)狀態(tài)為湍流時(shí)，單元體儲、放熱時(shí)間要遠(yuǎn)小于傳熱流體為層流狀態(tài)時(shí)。但是應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)流體流動(dòng)狀態(tài)為層流時(shí)(流速為0.1～1m/s)，對單元體儲熱性能的影響很小。同時(shí)，隨著流體流速的進(jìn)一步增大，其對單元體儲熱性能的影響趨勢隨之減弱。這是因?yàn)椋?dāng)傳熱流體為層流狀態(tài)時(shí)，或流速增大到一定范圍時(shí)，影響單元體儲熱性能的因素由傳熱流體與儲熱單元體間自然對流的影響轉(zhuǎn)換為單元體內(nèi)部熱阻的影響。
4結(jié)論
(1)復(fù)合材料的物理參數(shù)對儲能單元體的儲能性能有較大的影響。單元體總的儲能時(shí)間隨復(fù)合材料里石墨含量的增加而減小;在復(fù)合材料模塊直徑不變的前提下，模塊厚度越大，單元體的儲、放熱性能越好。
(2)傳熱流體速率對儲能單元體的儲能性能有較大的影響。單元體的儲、放熱時(shí)間都隨傳熱流速的增大而減少。但是，當(dāng)流體流動(dòng)狀態(tài)為層流時(shí)，對單元體儲熱性能的影響很小。同時(shí)，隨著流體流速的進(jìn)一步增大，其對單元體儲熱性能的影響趨勢隨之減弱。這是因?yàn)椋?dāng)傳熱流體為層流狀態(tài)時(shí)，或流速增大到一定范圍時(shí)，影響單元體儲熱性能的因素由傳熱流體與儲熱單元體間對流換熱的影響轉(zhuǎn)換為單元體內(nèi)部熱阻的影響。
(3)相比于單管儲能單元體，同心管儲能單元體的儲、放熱性能更佳。在相同的操作條件下，當(dāng)流體雷諾數(shù)從1875增大到7500時(shí)，同心圓管單元體的儲熱時(shí)間分別減少7%和10%，放熱時(shí)間則分別減少10%和15%。
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