1引 言

隨著能源危機(jī)的日益加劇, 利用相變材料存儲(chǔ)能量已成為研究熱點(diǎn), 雖然相變材料本身具有儲(chǔ)熱密度大, 且儲(chǔ)能過(guò)程近似恒溫等優(yōu)點(diǎn), 但這類(lèi)材料的熱傳導(dǎo)率卻很低, 在一定程度上限制了它的應(yīng)用。為了提高相變材料的導(dǎo)熱能力, 可通過(guò)在相變材料中添加各種形態(tài)的金屬、石墨、肋片等措施, 來(lái)強(qiáng)化相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)。為此, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量理論和實(shí)驗(yàn)方面的研究^{[ 1 5]} 。彭冬華等^{[ 6]} 利用泡沫鋁為骨架, 考慮金屬骨架與流體之間的不同的傳熱特性, 建立了泡沫金屬內(nèi)熔化相變傳熱的雙溫度模型。Bedecarrats 等^{[ 7]} 對(duì)填充有球形相變材料的蓄熱槽內(nèi)部的相變傳熱特性做了數(shù)值分析。郭茶秀等^{[ 8]} 利用計(jì)算流體力學(xué)軟件 FLUENT 凝固/ 熔化模型對(duì)一種相變材料蓄冷球的凝固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。Mesalhy 等^{[ 9]} 研究了將具有各種不同導(dǎo)熱系數(shù)和不同孔隙率的多孔金屬基體加入相變材料, 對(duì)相變蓄熱裝置熱性能的影響, 并采用數(shù)值方法對(duì)水平圓柱環(huán)的熔化過(guò)程進(jìn)行了研究。

綜上所述, 采用泡沫金屬作為金屬骨架能改善相變材料的傳熱性能。本文采用近年來(lái)開(kāi)發(fā)的孔隙率為 90% 的泡沫金屬鋁為骨架, 孔隙中填充石蠟作為儲(chǔ)能介質(zhì), 采用數(shù)值方法, 利用 FLU EN T 軟件對(duì)蓄熱球相變傳熱過(guò)程進(jìn)行分析研究。

2       數(shù)學(xué)模型的建立

圖1 所示為相變蓄熱裝置示意圖, 蓄熱球在密閉式圓柱形槽中有規(guī)則的堆放, 載熱流體從蓄熱槽孔隙流過(guò)球形蓄熱體表面, 蓄熱球吸收載熱體攜帶的熱量, 從而由球壁向球內(nèi)逐漸熔化, 直至整個(gè)球內(nèi)完全發(fā)生相變。蓄熱球的物理模型如圖 2 所示。由于與整個(gè)儲(chǔ)能槽相比, 蓄熱球直徑較小, 故單個(gè)蓄熱球周?chē)d熱流體溫度可視為同一值。

圖1相變蓄熱球儲(chǔ)能槽示意圖

圖2 蓄熱球物理模型

為分析方便, 對(duì)物理模型作如下假設(shè): ( 1) 假設(shè)載熱流體流動(dòng)為層流, 且流體和固體處于局部熱平衡; ( 2) 初始時(shí)刻球內(nèi)蓄熱介質(zhì)的溫度均勻一致; ( 3) 石蠟相變范圍在 332~ 334K 之間; ( 4) 物性參數(shù)在每相中不隨溫度變化, 在處于熔融狀態(tài)時(shí), 參數(shù)隨溫度線(xiàn)性變化; ( 5) 由于導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)傳熱的影響較大, 故加入泡沫金屬后, 忽略其它物性參數(shù)變化的影響。

材料的物性

Tanle 1Material properties

本文言中加入泡沫金屬后采用有效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行下一步的傳熱計(jì)算。其有效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式取值：

其中：Km為泡沫金屬的導(dǎo)熱系數(shù)，J/（kg  K）；Kr為石蠟的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)：為泡沫金屬的孔隙率.

根據(jù) FTU　EN　T　的融化／凝固的基本理論，并采用以上假設(shè)后，數(shù)學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為連續(xù)性方程：

（u）+（v）=0

  X     y

其中, cs, l 為固、液態(tài)石蠟比熱容, J/ kg K; ks, l 為固、液態(tài)石蠟導(dǎo)熱系數(shù),J/ kg K; T m為石蠟發(fā)生相變的平均溫度, K; !為液態(tài)石蠟的動(dòng)力粘度, kg/ ( m s) ; H m 為石蠟的相變焓, J。

3       FLU ENT 的分析及數(shù)值模擬結(jié)果

3. 1    幾何模型及網(wǎng)格劃分

本文對(duì)直徑為 100mm 的蓄熱球進(jìn)行模擬, 球壁面為固壁邊界。利用 FLUENT 自帶的前處理軟件

 Gambit 進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分。在 Gam bit 2. 2. 30 的 Mesh 模塊中選用四邊形單元, 蓄熱球劃分的計(jì)算網(wǎng)格如圖 3 所示。

 3. 2  計(jì)算參數(shù)的設(shè)置

在 FLUENT 6. 2. 16 軟件中, 選擇 2D 分離式、非穩(wěn)態(tài)求解器求解, 流動(dòng)為層流, Solidification/ Melting模型模擬蓄熱球的相變傳熱過(guò)程。按表 1 所示數(shù)據(jù)輸入相變材料的各熱物性參數(shù)。設(shè)置殘差值為 1e 06, 蓄熱時(shí)初始化溫度定為 35 , 固壁溫度 65 。單純的相變材料蓄熱球時(shí)間步長(zhǎng)選為 10~ 30s, 加入泡沫金屬的步長(zhǎng)定為 0. 5 ~ 2s。放熱時(shí)初始化溫度定為 65 , 固壁溫度為 35 , 單純的相變材料蓄熱球時(shí)間步長(zhǎng)選為 10~ 30s, 加入泡沫金屬的步長(zhǎng)定為 0. 5~ 2s。

圖3 蓄熱球網(wǎng)格劃分

3. 3    模擬結(jié)果及分析

現(xiàn)對(duì)初始溫度為 308K, 固壁溫度為 338K 的蓄熱球蓄熱過(guò)程進(jìn)行模擬分析, 圖 4 為無(wú)泡沫金屬純石蠟熔化時(shí)間 t = 1000s 時(shí)的溫度分布圖, 圖 5 為有泡沫金屬石蠟熔化時(shí)間 t = 1000s時(shí)的溫度分布圖。從這兩圖可以看出球內(nèi)溫度場(chǎng)是由外層向內(nèi)層逐步變化的,從圖 4 中石蠟的溫度分布可知, 由于純石蠟的熱導(dǎo)率低, 故傳熱進(jìn)行得比較慢。在 1000s 時(shí), 球內(nèi)中心點(diǎn)溫度僅為 311K, 球內(nèi)溫差高達(dá) 27 , 而圖 5 中加入泡沫金屬的石蠟在 1000s 時(shí)刻, 蓄熱球中心點(diǎn)溫度已經(jīng)到達(dá)了 332K, 球內(nèi)溫差僅為 6 。

圖 4  無(wú)泡沫金屬石蠟 1000s 的溫度分布圖

圖 5  泡沫金屬石蠟 1000s 時(shí)的溫度分布圖

 6 為無(wú)泡沫金屬純石蠟熔化時(shí)間 t = 1000s 時(shí)蓄熱球內(nèi)的固相液相分布比例, 圖 7 為有泡沫金屬石蠟熔化時(shí)間 t = 1000s 時(shí)蓄熱球內(nèi)的固相液相分布比例。比較兩圖可以發(fā)現(xiàn), 無(wú)泡沫金屬的蓄熱球經(jīng)過(guò) 1000s 后, 球內(nèi)相變材料基本處于未熔化狀態(tài), 而填充

泡沫金屬的蓄熱球已經(jīng)開(kāi)始熔化。

圖 8 為無(wú)泡沫金屬純石蠟熔化時(shí)間 t = 3000s 時(shí)的溫度分布圖, 圖 9 為有泡沫金屬石蠟熔化時(shí)間 t = 3000s 時(shí)的溫度分布圖。由圖可知, 隨著熔化時(shí)間的進(jìn)行, 無(wú)泡沫金屬石蠟球內(nèi)中心點(diǎn)溫度已經(jīng)達(dá)到了324K, 球內(nèi)溫差由 1000s 時(shí)刻的 27 減小到了 14 的狀態(tài)。

圖 6  無(wú)泡沫金屬石蠟 1000s 固液相比例

圖 7  有泡沫金屬石蠟 1000s 固液相比例

而有泡沫金屬的石蠟球在 3000s 時(shí)刻, 蓄熱球中心點(diǎn)溫度已經(jīng)到達(dá)了 338K, 球內(nèi)整體溫度基本處于熱平衡

圖 8  無(wú)泡沫金屬純石蠟 3000s 溫度分布圖

圖 10 為無(wú)泡沫金屬純石蠟熔化時(shí)間 t = 3000s 時(shí)蓄熱球內(nèi)的固相液相分布比例, 圖 11 為有泡沫金屬石蠟熔化時(shí)間 t = 3000s 時(shí)蓄熱球內(nèi)的固相液相分布比例。由兩圖可以看出, 隨著熔化時(shí)間的進(jìn)行, 在 t = 3000s 時(shí)刻, 球內(nèi)相界面的位置變化以及球內(nèi)熔化區(qū)域逐漸增加, 液相比例逐步減小, 同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn), 相界面是沿著球徑由外向內(nèi)逐層推進(jìn)的。比較兩圖可以發(fā)現(xiàn), 3000s 時(shí)刻, 在無(wú)泡沫金屬蓄熱球剛剛處于熔化開(kāi)始階段時(shí), 有泡沫金屬的蓄熱球內(nèi)相變材料已經(jīng)達(dá)到了完全融化的狀態(tài)。

圖 9  有泡沫金屬石蠟 3000s 的溫度分布圖

圖 10  無(wú)泡沫金屬石蠟 3000s 固液相比例

圖 11  有泡沫金屬石蠟 3000s 固液相比例

4     結(jié) 論

( 1) 通過(guò)對(duì)泡沫金屬蓄熱球與未加入泡沫金屬蓄熱球相變傳熱過(guò)程的數(shù)值模擬的比較分析, 研究了泡沫金屬對(duì)蓄熱球內(nèi)相變?nèi)刍^(guò)程的影響。結(jié)果表明, 多孔泡沫金屬對(duì)蓄熱球內(nèi)流體相變傳熱過(guò)程具有重要的影響, 填充泡沫金屬的相變材料蓄熱球能顯著縮短其蓄熱時(shí)間, 提高蓄熱裝置的蓄熱速率, 從而改善相變儲(chǔ)能裝置的傳熱性能和內(nèi)部溫度均勻性, 對(duì)相變問(wèn)題的數(shù)值模擬以及相變蓄能裝置的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

( 2) 通過(guò)與文獻(xiàn)[ 8] 所述的計(jì)算結(jié)果比較, 驗(yàn)證了模型的正確性。

( 3) 通過(guò)計(jì)算分析, 可知熱媒體入口流量、入口溫度等因素對(duì)蓄熱球相變?nèi)刍^(guò)程起著重要作用, 由此構(gòu)建更合理的相變材料儲(chǔ)能槽, 以提高蓄熱槽的蓄放熱效率。