圓柱形單元儲熱裝置的蓄熱性能

方桂花，連小剛，張振華，譚 心

（內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古包頭 014010）

0 引言

作為新能源的太陽能資源豐富、分布廣泛、無污染性，并且取之不盡，如何高效地利用太陽能成為研究的主流方向［1］。太陽能存在間歇性和地域性的問題［2-3］，常常會因為晝夜、氣候以及地區(qū)等因素，導致太陽能提供的能量不持續(xù)、不穩(wěn)定，故熱能存儲成為平衡熱能供給和使用的有效方法［4-5］。蓄熱系統(tǒng)可以有效地把熱能儲存起來，供人類隨時的支配使用［6-8］。蓄熱水箱是蓄熱系統(tǒng)中最關鍵的一環(huán)，水箱的性能直接影響了蓄熱系統(tǒng)的總效率［9-11］。

孫義文等［12］搭建了一套蓄熱水箱測試平臺，對比分析了不同工況下的蓄熱水箱傳熱特性，研究發(fā)現(xiàn)加入相變材料后能有效使蓄熱水箱總蓄熱量增加。Necdet等［13］通過數(shù)值方法研究了水箱中的設置阻擋件對水箱溫度分層的影響，發(fā)現(xiàn)設置阻擋層相比無障礙物而言能提供更好的熱分層效果。王燁等［14］研究了隔板開孔位置與尺寸對蓄熱水箱內部熱分層效果的影響，發(fā)現(xiàn)開孔位置對多開孔水箱內熱分層影響不大，對水箱蓄熱量影響較大。

本文搭建了基于圓柱形蓄熱單元的儲熱裝置，對蓄熱裝置進行實驗分析與數(shù)值模擬。實驗采用控制變量法對不同入口溫度以及流量來研究裝置蓄熱性能，并探討在蓄熱過程中圓柱形蓄熱單元上、中、下部溫度變化過程以及水箱內HTF 溫度分布。通過數(shù)值模擬進一步分析了不同工況下水箱內部相變材料（PCM）熔化過程，為儲熱裝置實際工程應用及設計提供了一定的理論依據。

1 相變單元及蓄熱水箱結構

相變蓄熱單元為自行封裝制作，圓柱形蓄熱單元目前是應用最廣泛的，具有蓄熱量高、體積大、易加工等優(yōu)點［15］。PCM 選擇主材為醋酸鈉的水合鹽類，通過差示掃描量熱法（DSC）和HOT Disk 測量其基本屬性，復合無機鹽熱物性參數(shù)如下：相變溫度59 ℃，使用溫度范圍＜90 ℃，潛熱量259.64 MJ/kg，密度（固/液）1.377/1.268 kg/L，比熱容2.13/3.27 kJ/（kg·K），導熱系數(shù)0.548 6 W/（m·K）。

蓄熱單元外徑80 mm，壁厚2 mm，長350 mm，可容納PCM體積為1 587 760.927 mm3，根據PCM液態(tài)密度1.268 kg/L，算得當PCM 完全熔化時，每個蓄熱單元可容納質量為2.01 kg 的PCM。而當PCM 完全結晶為固態(tài)時，根據固態(tài)密度為1.377 kg/L，可得PCM完全固態(tài)時體積為1 459 694.989 mm3，固態(tài)時PCM的體積占蓄熱單元總體積的91.93%，基本符合PCM膨脹率為8%，因此按照單個相變單元質量為2.01 kg進行封裝。在9 個相變蓄熱單元中，選取3 個蓄熱單元如圖1 所示，分別布置為上、中、下測點，在圓柱兩端及中間焊接螺紋，分別對接PT100 熱電阻。

圖1 蓄熱單元

本蓄熱水箱外部長490 mm，寬447 mm，高650 mm，進水口與出水口內徑均為25 mm。內部設有支架和3 層隔板，將水箱內9 個相變蓄熱單元均勻分布，每兩個相變單元相隔148 mm，水箱下部進水口底部放置一塊均流板，均流板上均勻分布直徑為15 mm的均流孔。水箱外部采用厚度為50 mm 的保溫材料聚氨酯包裹，導熱系數(shù)為0.025 W/（m·k）。水箱內外結構實物圖如2 所示。

圖2 蓄熱水箱實物圖

2 實驗測試系統(tǒng)及實驗步驟

性能測試平臺如圖3 所示，主要由蓄熱水箱、鍋爐、變頻泵、緩沖水箱以及測試系統(tǒng)等組成。在探究不同工況下蓄熱實驗時，根據需要HTF由鍋爐經變頻泵流入蓄熱水箱進行循環(huán)。實驗采用渦輪流量計觀察入口流量，通過AT4340 溫度巡檢儀采集溫度數(shù)據，采用PT100 型熱電阻作為溫度傳感器，其精度為±0.15 ℃。

圖3 蓄熱性能測試平臺

（1）前期準備。將鍋爐內水溫加熱至30 ℃，打開管道球閥2、球閥4、球閥5、球閥6，其他球閥關閉，開啟變頻泵C1 并對節(jié)流閥T1 調節(jié)流速，使HTF經過蓄熱水箱與相變蓄熱單元換熱，同時開啟溫度巡檢儀，直至相變單元不同測點均為30 ℃時，達到實驗初始條件。

（2）蓄熱實驗。暫時關閉變頻泵C1，使蓄熱系統(tǒng)停止循環(huán)，加熱鍋爐內水溫至實驗所需入口溫度，打開變頻泵使HTF流入蓄熱水箱內進行循環(huán)，對蓄熱單元及水箱內（上、中、下）共布置12 個測點，數(shù)據采集頻率每20s保存一次數(shù)據，所有測點溫度達到蓄熱溫度時，實驗完成。

3 蓄熱實驗過程分析

3.1 熔化特性分析

圖4 為入口溫度80 ℃，入口流速0.35 m3/h 時，水箱內HTF溫度隨時間變化曲線圖。從圖可得，水箱下層溫度增長最快，這是由于水箱下層的熱電阻接近水箱入口處，測點最先接近熱源，而水箱中層和水箱上層溫差較小，而且增長趨勢幾乎一致，這是因為水箱內部設有均流板和隔層板，增強了水箱內區(qū)域溫度的均勻分布。

圖4 水箱內HTF溫度隨時間變化曲線圖

圖5 為入口溫度80 ℃，入口流量為0.45 m3/h時圓柱形蓄熱單元上、中、下測點的平均溫度變化曲線圖。從圖可以看出，蓄熱過程總體分為3 個階段，初期為固態(tài)顯熱蓄熱階段；中期為潛熱蓄熱階段；后期為液態(tài)顯熱蓄熱階段。另外可以看出蓄熱單元3 層溫度變化趨勢基本一致，這是由于水箱內布置均流板和隔層板的作用，能有效地使水箱內溫度分布均勻，使HTF與各個蓄熱單元均勻換熱，在蓄熱初期階段，熱量的傳遞交換主要靠HTF 與蓄熱單元接觸導熱，單元下部PCM溫度大于單元中、上部，這是由于熱源在蓄熱水箱中下進上出，蓄熱單元下部先接觸源源不斷的熱源，率先進行熔化，熔化的蓄熱材料產生的溫差能更快地使局部PCM吸收熱量，故溫度由下至上呈遞減趨勢。

圖5 蓄熱單元上、中、下層PCM溫度隨時間變化曲線圖

3.2 不同工況下蓄熱過程

本文通過控制入口流量0.25 m3/h及入口溫度80℃單一變量來探究蓄熱水箱的蓄熱性能。

從圖6 可以看出，在初始溫度30 ℃下，隨著入口流量的增大，蓄熱時間呈遞減趨勢，當入口流量為0.25、0.35、0.45 m3/h 時，水箱內PCM 平均溫度分別在12 000、9 200、7 800 s達到80 ℃，完成蓄熱。

圖6 不同入口流量下PCM溫度隨時間變化曲線圖

從圖7 可以看出，入口溫度為80、85、90 ℃時，水箱內PCM平均溫度分別在12 000、7 000、5 400 s時溫度達到80 ℃。另外可以看出，隨著入口溫度增大，PCM在液態(tài)顯熱升溫階段有明顯提高，這是因為隨著傳熱過程的進行，PCM 呈液態(tài)越來越多，入口溫度的增大，會使PCM與HTF溫差增大，有效地增強了自然對流，減少了兩者之間的熱阻，加快了PCM吸收熱量。

圖7 不同入口溫度下PCM溫度隨時間變化曲線圖

4 蓄熱模擬分析

為探究蓄熱過程中蓄熱單元內部的具體熔化過程以及液相率變化趨勢，對蓄熱水箱進行模型簡化并進行數(shù)值模擬計算。根據蓄熱水箱內實際的水位，蓄熱水箱簡化后模型的長、寬、高分別為490、447、520 mm。模型如圖8 所示。

圖8 模擬簡化蓄熱水箱圖

在數(shù)值模擬的過程中，初始條件和邊界條件與實驗過程中均保持一致，通過ICEM CFD 進行網格劃分并在Fluent中分別模擬了上述實驗5 種工況。

從圖9 可以看出，在兩種工況下，蓄熱水箱的蓄熱過程趨勢總體一致，但總體蓄熱時間均為模擬快于實驗，這是由于模擬是在理想的條件下進行的，而在實驗過程中，熱源HTF 在流經管路時會有熱量損失，真實入口溫度往往會低于設置的溫度，故總蓄熱時間會稍低于模擬過程。但模擬和實驗最大相對偏差不超過5%，故可以說明模擬過程的正確性。

圖9 實驗與模擬對比曲線圖

圖10 與圖11 分別為改變入口流量與改變入口溫度PCM液相率隨時間變化曲線圖。當PCM完全熔化為液態(tài)時，液相率達到1。由圖10 與圖11 可以看出，隨著入口流量和入口溫度的增大，PCM 完全熔化的時間減短。在保持入口溫度為80 ℃，入口流量為0.25、0.35、0.45 m3/h時，PCM完全熔化時間分別為5 600、4 600、4 200 s。保持入口流量為0.25 m3/h，入口溫度為80、85、90 ℃時，PCM 完全熔化時間分別為5 600、4 800、4 100 s。

圖10 不同入口流量下PCM液相率隨時間變化曲線圖

圖11 不同入口溫度下PCM液相率隨時間變化曲線圖

圖12 為截取2 000 s時各工況下蓄熱單元中PCM液相率云圖，（a）～（c）依次代表改變入口流量為0.25、0.35、0.45 m3/h，（d）～（f）分別代表改變入口溫度為80、85、90 ℃的工況。從圖可以看出，蓄熱單元下部熔化較快，因為HTF 在水箱中下進上出，蓄熱單元下部最先接觸源源不斷的熱源。分別對比云圖12（a）～（c）與云圖（d）～（f）可以發(fā)現(xiàn)，在同一時刻，提高入口流量與入口溫度均可以加快PCM 熔化。這是因為增大流量時加快了水箱內HTF的流動性，熱源可以在水箱內更快的流通，增強了水箱內的自然對流，減小了HTF與PCM 之間的熱阻。而增大入口溫度時，會增大HTF與PCM 的換熱溫差，較高的溫度會增強水箱內水流的擾動，從而加快PCM 吸收熱量的速度，從而減少蓄熱時間，提升蓄熱效率。

圖12 2 000 s時各工況下PCM液相率云圖

5 結論

（1）蓄熱水箱內均流板和隔層板使水箱內各區(qū)域溫度分布均勻，蓄熱單元均勻受熱，HTF 與各個蓄熱單元同時進行能量交換，避免了因受熱不均勻導致PCM出現(xiàn)死區(qū)的現(xiàn)象，有效提升了裝置的蓄熱效率。

（2）隨著入口流量與入口溫度的增大，裝置總體蓄熱時間不斷減少。其他條件相同時，在入口流量0.25、0.35、0.35 m3/h 工況下，蓄熱時間為12 000、9 200、7 800 s。在入口溫度為80、85、90 ℃工況下，PCM全部達到80 ℃時間為12 000、7 000、5 400 s。

（3）在模擬對比過程中，其他條件一致時，入口流量0.35、0.45 較0.25 m3/h 工況PCM 熔化時間分別減少14.2%與26.7%。入口溫度85、90 較80 ℃工況PCM熔化時間分別減少17.8%和25%。