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基于微通道平板换热器的相变材料放热性能影响研究

   次浏览   本站   2021-02-14

摘 要: 掌握相变材料蓄、放热过程的影响因素对提高相变蓄、放热效率具有重要的指导意义。本文建立了平板换热器相变换热单元模型,基于Fluent软件的凝固/融化模型,以南瑞集团自主研发的乙酸钠基复合相变材料对其凝固放热过程进行仿真,分析了不同换热结构、流体流速以及相变材料厚度对相变材料换热过程的影响,并对平板换热器相变换热单元结构优化,创新性的设计了微通道平板换热器相变换热单元。结果表明:换热器的结构对换热性能有着重要的影响,相比于普通的平板式换热器,微通道换热器能明显地降低相变材料放热时间;流体流速增大放热速度有所提高,但是容易导致速度场温度场不均匀,换热性能提升有限。相变材料凝固总时间随相变材料厚度的增加而增加,对于相变蓄热产品,需按照设计时间对相变单元相变材料厚度进行选型。最后以仿真结果制备相变样机、搭建储/放热系统,并对比实验数据验证模拟结果。

关键词: 乙酸钠基复合相变材料;微通道换热器;相变换热

供暖期燃煤散烧是造成京津冀地区环境污染的重要原因之一,寻找清洁高效的供暖方式成为有效解决环境问题的必要举措。低谷电能储热清洁供暖技术不仅可有效平衡电网负荷,提高电网的效率利用率,还可利用低谷电价政策,实现分布式供暖的低成本运行,是清洁供暖技术领域的研究热点。目前,国内针对蓄热技术在供暖方面的应用已经进行了一些研究。但是,在供暖中普遍考虑使用水进行显热蓄热。相变蓄热材料的使用相比于水的显热蓄热,具有有效减少蓄热箱体积、蓄热和放热过程温度更加稳定等优势。储能技术可以在能量富余的时候,用特殊储能装置将能量储存起来,需要的时候将其释放并加以利用,从而缓解能源供求不匹配的问题,是提高能源利用率的有效手段。相变储热材料由于储能密度大、性能稳定、相变温度适宜且性价比高,因此发展最为成熟,且更接近实际生产利用。相变材料三水乙酸钠(SAT)具有相变潜热值大、充放热稳定、无毒无害和价格低廉的优点,是相变储能技术领域中无机相变蓄热材料中非常具有发展潜力的一种材料。但其应用仍受限于大部分相变储热材料所面临的共同问题,即导热性能差、与封装材料不兼容、储热单元和储热系统界面热阻高、使用寿命短、储/放热速率不可控等一系列问题。

近年来,学者们对三水乙酸钠相变材料进行了系列研究。杜晓冬等研究了纳米成核剂对三水乙酸钠相变性能的影响,结果表明质量分数2%的Al2O3、1%的Cu在自然分散下就能够减弱三水乙酸钠的过冷,且纳米成核剂可以提高三水乙酸钠的导热性能。郎雪梅等研究了以三水乙酸钠为基本贮热物质,焦磷酸钠、硅酸钠为成核剂,以淀粉、蔗糖、蜂蜡、聚丙烯酰胺等为抗沉淀剂,组成性能良好的贮热体系,有效地抑制了三水乙酸钠相分离。袁维烨等分析了盐水质量比不同的混合体系,研究其在不同冷却速度和冷却温度条件下溶液过冷的稳定情况及多次循环后的过冷度。

目前,关于三水乙酸钠相变材料研究很多,且多为探究相变材料过冷和相分离问题。然而相变储热材料的性能最终还是以储热单元、储热系统的形式发挥作用,目前对于储热单元和储热系统的相关研究较少,本文建立了板式换热器相变换热模型,基于FLUENT软件的凝固/融化模型,以南瑞集团自主研发的乙酸钠基复合相变材料对其融化过程进行仿真,分析了不同的换热结构、流体流速以及不同相变材料厚度对相变材料换热过程的影响。并以模拟结果为理论依据制备样机、搭建实验平台进行验证。

1 相变换热单元模型建立

1.1 物理模型

图1为相变换热单元的物理模型,其长y=800 mm,宽x=600 mm,高z=110 mm。如图所示,相变材料为厚度100 mm的相变砖,底部为厚度10 mm的板式换热器。相变材料为南瑞集团自主研发的以乙酸钠为基体的复合相变材料,融化后黏度很大几乎不发生移动,目前已进行1 500次循环测试。流体从左侧进入平板换热器,对相变材料进行充热、放热,换热后的流体从右侧流出。

为了对相变换热单元换热性能进行优化,本文在普通平板换热器的基础上构建了微通道平板换热器,如图1(b)所示。在平板换热器内增加三个折流板,使流体在换热器内流向转变3次,在每一个流道内增加4个平行板片,构建平行矩形微通道。微通道平板换热器延长了换热时间,增大了换热面积。

基于微通道平板换热器的相变材料放热性能影响研究

图1 相变换热单元结构示意图

1.2 数学模型

基于以上假设,本文利用FLUENT软件中的凝固/融化(solidification/melting)模型对物理模型进行数值模拟研究,即焓法模型。其控制方程如下

基于微通道平板换热器的相变材料放热性能影响研究

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其中

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式中,ρ为密度,kg·m-3;U表示速度矢量,m·s-1;μ为动力黏度,kg·m-1·s-1;S为源项,H 为任意时刻的比焓,J·kg-1;λ为相变储能材料的导热系数,W·m-1·K-1;为管内任意时刻温度,K;h为显热比焓,J·kg-1;href 为参考温度下的比焓,J·kg-1;cp为定压比热容,J·kg-1·K-1;β为液相率,L为物质的相变潜热,J·kg-1;Ts为凝固温度,K;Tl为熔化温度,K。

边界条件:相变材料区域为

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;平板换热器流体区域入口处u=常数,v=w=0,Tin = 常数。

1.3 数值方法

采用焓法模型对相变材料凝固过程中的固-液相变现象进行计算。为简化分析,对相变过程做出如下假设:

(1) 相变材料的导热系数、密度和比热容等物性参数为常数,不随温度变化而变化;

(2) 相变材料的热物性参数是各向同性且均匀变化;

(3) 复合相变材料液态黏度很大忽略其自然对流;

(4) 蓄热单元外壁绝热;

(5) 忽略熔化过程中相变材料体积变化。

相变材料的热物性参数取值:相变材料相变潜热L=240000 J/kg;凝固温度Ts= 330 K;熔化温度Tl=331 K;相变材料导热系数λ=9W/(m·K);相变材料比热容cp=3081 J/(kg·K);水比热容cp=4182 J/(kg·K);水导热系数λ=0.6 W/(m·K)。

相变换热单元换热器长y=800 mm,宽x=600 mm,以0.6 m/s、3 m/s入口流速,入口水温27 ℃,相变材料初始温度60℃对平板换热器相变换热单元及微通道平板换热器换热相变单元进行仿真模拟,分析换热结构、流速对相变换热单元放热性能的影响,并对不同厚度(50 mm、100 mm、150 mm)相变材料微通道平板换热器相变换热单元放热过程仿真模拟。

采用Gambit建模,网格类型为Tet/Hybrid,网格尺寸为1~10。平板换热器相变换热单元和微通道平板换热器相变换热单元网格总数分别取239.6万和242.8万。

网格无关性验证如下:以0.6m/s入口流速、入口水温27 ℃、相变初始温度60 ℃为条件,对平板换热器相变换热单元网格数62万、141万、239.6万、508.2万进行网格无关性计算,图2为1000s时相变材料液化分数变化图。网格数239.6万与508.2万液相分数相差仅1.06%,故取239.6万网格数进行后续计算。

基于微通道平板换热器的相变材料放热性能影响研究

图2 放热1 000 s时,不同网格数平板换热器相变换热单元液相分数变化图

2 结果与讨论

2.1 不同换热结构对相变时间的影响

以0.6 m/s流速,对换热单元进行仿真,结果如图3所示。图3为两种换热结构液相分数变化图。由图可知,不同换热结构相变材料放热凝固趋势是一样的。在放热初期,相变材料的液相分数均随时间线性规律迅速减少,后期凝固速度逐渐变缓。这是因为随着放热进行,热量需以导热形式穿过一定厚度的固相相变材料层,凝固的相变材料越来越多,传热热阻逐渐增大,换热速率降低。在放热1 0000 s时,微通道平板换热器相变换热单元液相分数剩余5.4%,平板换热器相变换热单元液相分数为14.3%。图4为放热1 0000 s时两种换热结构在y=200 mm截面的温度和液相分数云图。由图可知,换热器的结构对相变换热单元换热性能有重要影响。优化后的微通道平板换热器换热性能大大增强,相变换热单元放热速率增大。

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图3 入口流速为0.6 m/s时两种换热结构液相分数变化图

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图4 入口流速为0.6 m/s时放热10 000 s时两种换热结构对比

2.2 不同流速下相变材料凝固放热过程

以入口流速为0.6 m/s、1 m/s、3 m/s,入口水温27 ℃,对换热单元进行仿真,结果如图5所示。图5为两种相变换热单元截面速度矢量图。

由图可知,速度0.6 m/s时,平板换热结构边界流速大,中间流体流速小,速度分布不均匀。入口速度1 m/s、3 m/s时,边界流速进一步增大,中间部分流速仍较低,速度分布极不均匀。对比图4(a)、4(b),图6(a)、6(b)及图7(a)、7(b)可知,因流场大涡的形成,平板换热结构温度场在中间部分较高,并且流速越大时温度分布越不均匀;图4(b)中0.6 m/s入口流速下,10 000 s时平板换热器相变单元平均液相分数为0.14;图6(b)中1 m/s入口流速下,10 000 s时平板换热器相变单元平均液相分数为0.108;图7(b)中3 m/s流速下,平均液相分数为0.1,速度增大,其放热速度未有明显提高。

又由图5可知优化后的微通道换热结构,速度分布较为均匀。图4(d)中0.6m/s入口流速下,10 000 s时微通道平板换热器相变单元平均液相分数为0.054;图6(d)中0.6m/s入口流速下,10 000 s时微通道平板换热器相变单元平均液相分数为0.0114;图7(d)中3 m/s时,平均液相分数为0.0016。

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图5 不同流速下两种相变换热单元截面Z=-0.055 m速度矢量图

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图6 入口流速为1 m/s时放热10 000 s时两种换热结构对比

由此可知,入口流速对相变换热单元换热性能有一定影响。但流速增加,平板换热结构速度场、温度场不均匀特性进一步加剧,且出口水温大大降低,不利于实际使用。

2.3 不同厚度下相变材料凝固放热过程

相变换热单元相变材料的厚度对于相变蓄热产品换热时间、换热效率有重要影响。相同换热结构相变换热单元,相变材料厚度越大,则单元内相变材料越多,蓄、放热所需时间也越长。又由图3流速0.6 m/s下两种换热结构液相分数变化图及文献[5]知,随着放热进行,凝固的相变材料越来越多,传热热阻逐渐增大,换热速率降低,相变材料厚度越大后期换热速率越低。然而相同换热结构相变换热单元,相变材料厚度越小,则相变换热单元蓄热量越小,单位蓄热量所需的换热板材越多,成本越高。

为此对不同厚度相变材料的相变换热单元进行仿真,模拟结果如图8、图9所示。图8为5 000 s时,不同厚度微通道相变换热单元y=200 mm相变材料截面温度及液相分数云图。由图8知,5 000 s时,厚度50 mm相变换热单元放热结束,厚度100 mm相变单元约50%发生相变。由图9知,10 000 s内厚度100 mm和150 mm的相变单元,出水温度基本一致,50 mm厚度相变单元只维持了4 000 s的放热。随着放热进行,相变换热单元出口水温逐渐降低,放热速率逐渐减小。因此对于相变蓄热产品,需按照设计蓄/放热时间对相变单元相变材料厚度进行选型。

2.4 实验和模拟对比验证

为了验证模拟数据,同时将模拟运用于工程,以模拟结果为指导完成了样机试制,并设计了一套蓄/放热测试系统。样机相变砖100 mm厚度,平板换热器厚度10 mm,共12层相变换热单元。相变材料储/放热性能测试系统的示意图、实物图及系统流程图如图10~12所示,该测试系统包括恒温加热系统、相变蓄热样机和数据采集系统三部分。各部分详细情况如下:蓄热时,通过加热管加热水并通过PLC控制系统维持蓄水箱温度恒定,恒温热水对低温相变样机进行充热,并通过数据采集系统记录蓄热量及各个测点数据;放热时,通过自来水冷却低温相变样机进行放热,并通过数据采集系统记录放热量及各个测点数据。

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图7 入口流速为3 m/s时放热10 000 s时两种换热结构对比

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图8 入口流速为0.6 m/s、5 000 s时不同厚度的相变材料放热对比

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图9 入口流速为0.6 m/s时、不同厚度的相变材料,微通道平板换热器相变换热单元出水温度变化图

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图10 实验系统实物图

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图11 测试系统示意图

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图12 蓄/放热测试系统流程图

以流量0.7 m3/h(0.6 m/s入口流速)、入口温度27 ℃ 进行测试,并整理实验数据。图13为模拟与实验对比出水温度变化图。对比实验数据与模拟结果,可知模拟结果基本准确,1 000~10 000 s,实验出口平均水温为40.3 ℃,模拟出口平均水温为38.06 ℃,误差为5.5%,在可接受范围内。通过模拟结果进行指导设计生产,完善样机制备。

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图13 模拟与实验对比出水温度变化图

3 结 论

本文以自主研发的乙酸钠基复合相变材料构建平板换热器相变换热单元及微通道平板换热器相变换热单元,对其进行仿真并搭建实验平台验证仿真结果,模拟及实验结果表明:

(1)优化后的微通道平板换热器,换热性能大大增强,相变换热单元放热速率增大,在放热10 000 s时,微通道平板换热器相变换热单元液相分数剩余5.4%,平板换热器相变换热单元液相分数为14.3%;

(2)入口流速对相变换热单元换热性能有一定的影响,但流速增加,平板换热结构速度场、温度场不均匀特性进一步加剧;

(3)相变换热单元相变材料的厚度对于相变蓄热产品换热时间、换热效率有重要的影响,对于相变蓄热产品,需按照设计时间对相变单元相变材料厚度进行选型。

引用本文: 叶闻杰,杨肖,孙富华等.基于微通道平板换热器的相变材料放热性能影响研究[J].储能科学与技术,2020,09(06):1747-1754.

YE Wen'jie,YANG Xiao,SUN Fuhua,et al.Heat release property of phase change materials based on a microchannel heat exchanger[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(06):1747-1754.

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