楔形管壳式蓄热罐的传热性能.docxVIP

摘要针对常规矩形管壳式相变蓄热系统中相变材料热响应较慢的问题，实现蓄热系统高效储热结构优化具有重要意义。本工作采用数值模拟对基准管壳式相变储热单元和优化结构单元中相变材料带自然对流的熔化过程进行研究，并进行实验验证。根据不同的增强自然对流技术如楔形化、内流管偏心及倾斜罐体，讨论温度场、储热量、Fo数、平均Nu数及相界面的演化过程，分析不同增强自然对流方式内相变材料的动态热行为，得出改善储热系统传热效率的优化解。研究结果表明：楔形相变储热单元外壳形状可增强自然对流作用，提高储热单元的传热性能。当楔形比X=5时，与基准矩形结构中的相变材料熔化时间相比，其完全熔化时间缩短了28%；偏心距对竖直放置蓄热系统内相变材料的储热量影响不大，但是延长了完全熔化时间，对熔化效率起到反作用；楔形罐体倾斜75°时，在熔化前期自然对流换热效果达到最大值，蓄热效率也随之增长到最大，与垂直放置相比提升了29%。研究结果对节能减排以及双碳目标的实现具有一定的借鉴意义。

关键词强化传热；自然对流；相变材料；楔形蓄热系统

在“碳达峰、碳中和”国家目标政策的积极推动下，可再生能源的兴起与发展对我国结构转换、动能转变、低碳转型具有重要意义。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，这就需要将储能系统与可再生能源结合使用，以确保其稳定运行。在储能技术中，采用相变材料(PCM)的潜热储能系统由于其性能稳定、储/放热温度波动小、储热密度大等特点成为学者们广泛研究的储热方式。

然而，大多数相变材料的导热系数较低，使潜热蓄热系统存在热响应较慢、蓄热器工作效率达不到预期的问题，这限制了潜热存储器件的储热性能。因此，提高相变储热单元中相变材料与热源之间的换热性能是研究热点。根据传热方程，提高潜热储能系统热性能的主要途径有三种：增加传热面积，提高导热系数，通过混合PCM材料改善熔化过程的均匀性。在PCM的熔化过程中自然对流的传热速率通常远高于热传导的传热速率，所以强化相变储热单元中的自然对流能够有效提高系统储能效率。袁艳平等数值模拟了在垂直热壁边界条件下，相变储能单元的熔化过程，通过对板式储能单元翻转来强化对流传热，研究了Ra数、Ste数和单元高宽比对翻转传热强化作用的影响。Kumar等提出了一种新型的漏斗形结构的管壳式潜热储能罐，利用壳体表面的倾斜来实现PCM更均匀地温度分布，从而提高系统的热性能。霍宇涛等研究了内部管道位置、方腔倾斜角度对PCM熔化过程的影响规律。结果表明内管道位置在偏上部时会受到自然对流阻碍作用，降低PCM的熔化速率。但在此时倾斜方腔，会改变管道热流体到上部界面的距离，使熔化加快。除此之外，还有其他方式可以强化相变蓄热单元中的自然对流，如改变内流管的形状与偏心距、改变相变单元的几何构造、添加翅片等方式。

本研究将在矩形储罐的基础上改进出一种新型几何结构的管壳式潜热蓄热装置，通过优化矩形结构来增强自然对流。依据传统矩形储热单元存在的熔化死角问题，利用楔形化、内流管偏心以及罐体倾斜以增强自然对流的方式进行改善，所得结论对相变蓄热装置的设计及优化具有指导意义。

1模型描述

1.1物理模型

以竖直放置的矩形管壳式相变储热单元作为基本结构，通过改变其几何外形来强化其中相变材料(PCM)熔化过程中的自然对流，达到加快相变材料熔化速度、减少熔化时间的目的。在本研究中，在保证PCM体积一定的情况下，在基础模型矩形上改进为楔形，传热流体(HTF)放置在壳体中心的铜管内流动，PCM储存在环形空间中，如图1所示。

图1矩形与楔形储能罐尺寸

标准矩形罐的单元尺寸为222mm(长度)×222mm(宽度)×350mm(高度)，在此体积的基础上，楔形总高度为H，切体高度设为S，切体底面设为d，为50mm。中心带有直径为25mm的铜管，管内流经358K的水为换热介质。测点1～7分为上、中、下三层。顶层测点1、2、3间距25mm均匀布置在距罐体底座300mm处，中层测点4布置在距底座200mm处，底层测点5、6、7间隔25mm放置在距底座100mm处。选用国药集团生产的低温切片石蜡作为相变材料，并进行热物性测试，密度与热导率取测温范围内的平均值，比热容在各个温度范围内变化较大，采用线性法保留所有测量值。动态黏度与热膨胀系数参考文献[15]，DSC曲线在253～363K温度范围内升温，计算得出相变潜热与固/液相温度，模拟参数设置如表1所示。

表1石蜡热物理参数

1.2数学模型

数学模型被简化，只考虑PCM和热流管外壁之间的传热行为。物理模型的假设如下：

（1）将熔化的PCM视为不可压缩的流体，考虑相变域中的自然对流，只考虑温度变化引起的PCM的密度变化，所以密度项设为Boussinesq近似值。