高孔隙率泡沫金屬對相變蓄熱的強化研究

崔海亭,劉鳳青,朱金達,劉 威

(1.河北科技大學機械電子工程學院,河北石家莊 050018;2.麥克斯汽車空調(diào)系統(tǒng)有限公司,河北保定 071000)

高孔隙率泡沫金屬對相變蓄熱的強化研究

崔海亭1,劉鳳青1,朱金達1,劉 威2

(1.河北科技大學機械電子工程學院,河北石家莊 050018;2.麥克斯汽車空調(diào)系統(tǒng)有限公司,河北保定 071000)

在相變材料中填充高孔隙率泡沫金屬能有效改善相變材料的傳熱性能。主要研究了填充高孔隙率泡沫鋁后對石蠟導熱系數(shù)的影響,利用Fluent及其前處理軟件 Gam bit建立模型,并模擬結(jié)果。結(jié)果顯示加入泡沫鋁能使溫度分布均勻,縮短相變時間,提高儲熱效率。

工程熱物理;儲能技術(shù);泡沫金屬;相變材料;Fluent

相變蓄熱由于儲能密度大,溫度變化小,能實現(xiàn)穩(wěn)定的儲能和釋放能的特征,具有廣闊的應(yīng)用前景。但是相變材料所固有的熱導率低的缺點,影響了儲能的效果。在強化相變儲能方面,國內(nèi)外學者做了大量理論和實驗方面的研究[1-2]。通過在相變材料中添加各種形態(tài)的金屬、石墨、肋片等措施,強化相變材料的導熱系數(shù),從而達到提高相變蓄熱效率的目的[3-6]。泡沫金屬具有大比表面積和良好的流通性能,使得流體從泡沫金屬中通過時有著極大的熱交換面積,而且金屬材料良好的導熱性能使得溫度更能均勻地分布,因此泡沫金屬是一種優(yōu)良的強化傳熱材料。陳振乾等建立了泡沫金屬內(nèi)凍結(jié)相變傳熱過程的數(shù)學模型,采用顯熱容法模擬了泡沫金屬內(nèi)凍結(jié)過程的傳熱過程[7]。程文龍等給出了較通用的高空隙率泡沫金屬材料等效導熱系數(shù)估算公式,并利用準穩(wěn)態(tài)方法建立了復(fù)合相變材料在凝固過程的數(shù)學模型,對其凝固過程的傳熱特性進行了理論分析[8]。張濤等介紹了分別采用泡沫鋁和泡沫銅的復(fù)合相變儲熱裝置,實驗表明泡沫金屬的添加使得相變儲熱裝置傳熱性能得到了明顯的改善[9]。

石蠟因為優(yōu)良的性能及較低的價格,作為一種相變材料越來越受到人們的重視。筆者以石蠟為相變材料,通過在石蠟中添加孔隙率為90%的泡沫鋁,利用Fluent軟件來研究泡沫金屬的具體強化蓄熱效果。

1 Fluent軟件的應(yīng)用

Fluent是用于計算流體流動和傳熱問題的程序,是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包。它具有豐富的物理模型、先進的數(shù)值方法以及強大的前后處理功能。筆者首先采用Fluent的前處理軟件 Gambit進行建模和網(wǎng)格劃分,然后導入Fluent,選擇求解模型,設(shè)置邊界條件和初始化條件,設(shè)置迭代和控制參數(shù),進行計算。選用 Solidification&M elting模型,相變過程中不考慮湍流的影響,采用非穩(wěn)態(tài)、隱式、分離求解器進行求解[10]。

2 物理模型的建立及求解

2.1 物理模型

圖1所示為相變儲能裝置示意圖,該裝置長0.2 m,高0.05 m,三面保溫,頂部有熱流密度為1 000 W·m-2的恒熱流。

針對圖1所示物理模型,作如下假設(shè)。

1)石蠟為各向同性,石蠟熔化后的流體為牛頓流體,且為不可壓縮流體。

2)石蠟的相變溫度在323～333 K之間。

3)容器底部與側(cè)部均采用保溫材料保溫,熱損失可以忽略不計。

2.2 物理性質(zhì)參數(shù)

石蠟和孔隙率為90%的泡沫鋁的物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示[11]。

圖1 相變儲能裝置示意圖Fig.1 Schematic of phase change energy storage device

表1 石蠟和鋁的物理性質(zhì)Tab.1 Physical p ropertiesof paraffin and aluminium

3 數(shù)學模型的建立

3.1 相變區(qū)域數(shù)學模型

3.2 邊界條件和初始條件

1)邊界條件

2)初始條件

因為沒有熱量輸入或輸出的時候,蓄熱器的初始溫度為環(huán)境溫度:

其中:T為蓄熱體區(qū)域的溫度,K;T0為環(huán)境溫度,K。

4 模擬結(jié)果與討論

筆者主要模擬了蓄熱器內(nèi)加泡沫鋁前后溫度的分布和液相率的變化,其中溫度的分布見圖2,液相率的變化見圖3。

從圖2a)的溫度分布可知,由于純石蠟的熱導率低,導致石蠟溫度分布不均勻,上層溫度遠遠高于底層的溫度。從圖2b)的溫度分布可知加入泡沫金屬后,石蠟上層和底層存在4℃的溫差,固體骨架與相變材料之間由于熱導率的不同,必然存在溫差,大部分的熱量由上層石蠟傳遞給金屬骨架,再由金屬骨架傳遞給底層的石蠟。對比兩圖可知,加入泡沫鋁之后,石蠟上層的溫度比純石蠟低,底層溫度高于純石蠟時的溫度。因為在石蠟的上層,石蠟向泡沫鋁傳熱,而在儲熱裝置底部,泡沫鋁向石蠟傳熱,從整體而言,摻入泡沫鋁后石蠟的溫度分布的更為均勻,有利于相變裝置的集熱、儲能。

對比圖3中的兩圖,由于石蠟頂部有恒定的熱流加熱,圖3a)中頂部石蠟已經(jīng)完全熔化,但是由于純石蠟熱導率低,底部大部分石蠟尚未進入相變,圖3b)中,由于復(fù)合相變材料具有高導熱系數(shù),熱量能很快傳到底部的相變材料,所以所有的相變材料此時都已經(jīng)進入相變。

由圖4可知,在相變材料的熔化過程中,加入泡沫鋁后,整個區(qū)域的溫度高于純石蠟時的溫度,但是在3 h左右時,由于加入泡沫鋁后,要比純石蠟時提前進入相變,石蠟相變時要吸收相變潛熱,升溫比較緩慢,溫度略低。由圖5可知,一開始,由于頂部有恒熱流加熱,頂部的純石蠟很快熔化,但此時底部的石蠟還是處于固態(tài),隨著時間的延長,加入泡沫鋁后,由于導熱系數(shù)較高,相變材料都慢慢熔化,最后至完全熔化。從圖中可以看出,加入泡沫鋁后比純石蠟完全熔化的時間早1 h左右。

5 結(jié) 論

筆者利用Fluent軟件模擬了加入孔隙率為90%的泡沫鋁前后石蠟的熔化相變過程,通過比較熔化過程中的溫度分布和液相率變化,得出了如下結(jié)果:高孔隙率的泡沫金屬本身具有很高的導熱系數(shù),將其作為填充材料加入相變裝置中后,在密度和單位體積的相變潛熱都改變很小的情況下,可以使復(fù)合材料的等效導熱系數(shù)大大提高,導熱系數(shù)的提高增強了儲能裝置各個方向上的傳熱性能,提高了裝置內(nèi)的溫度均勻性,使得熱量能迅速被相變材料所吸收,顯著改善了相變材料的儲熱效果,并縮短了相變時間,提高了儲熱效率[9-11]。

[1]崔海亭,彭培英.“W”形螺旋槽管管殼式換熱器強化傳熱研究[J].河北科技大學學報(Journal of Hebei University of Science and Technology),2004,25(2):62-64.

[2]崔海亭,龔立武.高效能管殼式熱交換器的技術(shù)進展及應(yīng)用[J].河北工業(yè)科技(Hebei Journal of Industrial Science and Technology),1999,16(3):27-31.

[3]梁 辰,閆全英.相變儲能技術(shù)的研究和發(fā)展[J].建筑節(jié)能(Construction Energy Conservation),2007,35(12):41-44.

[4]謝曉峰,陳愛英.新型蓄能技術(shù)-相變蓄能[J].株洲師范高等?？茖W校學報(Journal of Zhuzhou Teachers College),2003,8(5):13-17.

[5]侯欣賓,崔海亭.高溫相變蓄熱在空間太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用[J].河北科技大學學報(Journal of Hebei University of Science and Technology),2001,22(2):1-3.

[6]崔海亭,郭彥書,王振輝,等.太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)中高溫熱管式吸熱/蓄熱器技術(shù)研究[J].河北工業(yè)科技(Hebei Journal of Industrial Science and Technology),2005,(5):249-251.

[7]陳振乾,施明恒.泡沫金屬內(nèi)流體凍結(jié)相變傳熱的數(shù)值模擬[A].制冷空調(diào)新技術(shù)進展-第四屆全國制冷空調(diào)新技術(shù)研討會論文集[C].[S.l.]:[s.n.],2006.

[8]程文龍,韋文靜.高孔隙率泡沫金屬相變材料儲能、傳熱特性[J].太陽能學報(Acta Energiae Solaris Sinica),2007,28(7):739-744.

[9]張 濤,余建祖.泡沫銅作為填充材料的相變儲熱實驗研究[J].北京航空航天大學學報(Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics),2007,33(9):1 021-1 024.

[10]韓占忠,王 敬,蘭小平.Fluent流體工程仿真計算實例與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學出版社,2006.

[11]彭冬華,陳振乾,施明恒.泡沫金屬內(nèi)相變材料熔化傳熱過程的數(shù)值模擬[A].中國工程熱物理學會學術(shù)會議論文[C].鄭州:[s.n.],2008.

Enhancement of high porosity metal foam to phase change energy sto rage

CU IHai-ting1,L IU Feng-qing1,ZHU Jin-da1,L IU Wei2
(1.College of Mechanical and Electronic Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China;2.Macs Auto A/C System Company Limited,Baoding Hebei 071000,China)

Filling metal foam in the phase change material(PCM)can imp rove the heat transfer performance effectively.The paper exp lo res chiefly the changement of coefficient of heat conductivity after filling metal foam.The paper creates model and analogue result by making use of Fluent and its fore treatment software Gambit.The result show s that filling metal foam can make temperature distribution homogeneous,shorten the time of phase change,and increase efficiency of energy storage.

engineering thermophysics;energy storage technique;metal foam;phase changematerial;Fluent

TK02;TK124

A

1008-1542(2010)02-0093-04

2009-08-30;

2009-10-20;責任編輯:李 穆

國家自然科學基金資助項目(50876004);河北省自然科學基金資助項目(E2008000700);河北省教育廳科學研究計劃項目(2009437)

崔海亭(1964-),男,河北蠡縣人,教授,博士,主要從事強化傳熱與熱能動力方面的研究。