淺論基于復合相變材料儲熱單元的儲熱特性論文

淺論基于復合相變材料儲熱單元的儲熱特性論文

　　儲熱技術，特別是相變儲熱技術是合理有效利用現有能源、優化使用可再生能源和提高能源利用效率的重要技術。相變儲熱技術利用材料的相變潛熱來實現能量的儲存和利用，是緩解能量供求雙方在時間、強度及地點上不匹配的有效方式。為了使相變儲熱技術得到更進一步的發展，需要克服包括從儲熱材料到儲熱系統等的一系列問題。對于儲熱材料，需要克服其熱導率低和與封裝材料不可兼容等缺點;對于儲熱單元和儲熱系統，需要克服界面熱阻高、使用壽命周期短和儲/放熱速率不可控等缺點。

　　1數學模型

　　1.1物理模型

　　復合材料被制備成實心圓柱體和空心圓柱體兩種形狀分別放置于單管單元體和同心管單元體中。為了對比研究兩種單元體的儲熱性能，保持置放于單元體中的復合材料體積一致。對于單管儲熱單元，復合材料直徑為60mm，厚度為15mm。單元筒體長度為300mm，筒體外徑為68mm，壁厚為3mm;對于同心管儲熱單元，復合材料外徑為62mm，內徑為15.6mm，單元體外管直徑為70mm，內管直徑為7.6mm，壁厚為3mm，筒體長度同為300mm。

　　1.2數學模型

　　1.2.1復合材料和傳熱流體的控制方程

　　由于復合材料在熱能的存儲過程中，超微多孔通道產生的毛細張力能保持熔鹽在陶瓷基體內不流出，能保持材料整體結構的穩定性。在復合材料的制備過程中，陶瓷基體被燒結形成致密的多孔介質，熔鹽和熱導率提高材料填充在其產生的空隙中。因此，對于這種復合材料內部的傳熱過程，可以認為是一種微孔介質中的傳熱。但是這種多微孔介質內部的傳熱是一種十分復雜的物理過程，往往伴隨有顆粒間的熱傳導、微孔間的自然對流及熱輻射。然而，由于微孔所占材料體積比較小，在本文的計算中，發生在微孔里面的自然對流和熱輻射可以忽略，僅僅只考慮顆粒間的熱傳導，因此，復合材料和傳熱流體區域可以簡化成二維模型進行計算。同時為了進一步簡化數值模型，對模型也做如下假設：

　　①相變熔鹽只有一個熔點;

　�、趥鳠崃黧w的熱物理參數為常數且被認為是牛頓流體;

　�、蹅鳠崃黧w的入口速度和入口溫度均勻且為常數;

　　④儲熱單元體內復合材料模塊間存在很薄的空氣層，并以此來計算其間的接觸熱阻。

　　1.2.2邊界條件和初始條件

　　本文選取制備復合材料的原材料及單元體封裝材料的物性參數。計算過程中，進口采用速度進口邊界條件，出口采用自由流出口邊界條件(壓力梯度為0);吸熱過程中，入口傳熱流體溫度固定為873K，復合材料初始溫度為473K;放熱過程中，入口傳熱流體溫度固定為473K，復合材料初始溫度為873K。除既定設置壁面外，其余外壁采用絕熱壁邊界條件。

　　2實驗驗證和實驗過程

　　為了驗證數學模型的正確性，本文以單管儲熱單元為實驗對象搭建了實驗平臺來進行驗證。實驗裝置由3部分組成，即加熱爐、單管儲熱單元和數據采集系統。不銹鋼加熱爐的內徑為0.22m，長度為1.4m，外壁包裹著絕熱材料。裝滿復合儲能材料的單管儲能單元體放置于爐子中心�？諝庾鳛閭鳠崃黧w被燃氣加熱后通過進氣管進入爐腔，其流量通過入口的流量計來控制�？諝獾娜肟跍囟燃皢喂軆�熱單元體內的溫度測量采用K型鎧裝熱電偶。吸熱過程中，空氣的入口流量保持為30.1Nm3/h;放熱過程中，空氣的流量保持為28.5Nm3/h。對于吸熱過程，當爐中所有熱電偶所測溫度與傳熱流體溫度一致時，視為儲熱單元體吸熱完成;同樣對放熱過程，當所有熱電偶測的溫度與流體溫度一致時，視為儲熱單元體放熱完成。

　　3數值模擬結果與分析

　　3.1模擬結果和實驗結果比較

　　可以看出，實驗結果和模擬結果比較吻合。對于儲熱過程，儲熱單元里的溫度變化經歷3個階段。第一階段為顯熱儲熱階段，溫度快速上升達到相變溫度;第二階段為相變儲熱階段，此時相變發生，溫度保持在相變材料的相變溫度;第三階段為顯熱儲熱階段，溫度相變溫度上升達到傳熱流體的溫度�？梢钥闯�，復合材料在2700s時開始相變，整個相變過程持續時間約為2000s。同樣地，對于放熱過程，儲熱單元里溫度也經歷3個過程。放熱開始時，溫度快速下降直至相變點，然后保持到相變開始，此時復合材料中的相變材料由液態變為固態。之后溫度繼續下降到與傳熱流體一致。同時從圖中還可以看出，對于測點T1和T2，不管是儲熱過程還是放熱過程，兩點溫度變化曲線比較接近。這是因為添加了熱導率提高材料，復合材料熱導率比較高，所以其儲熱和放熱過程比較快。這也驗證了之前的假設是可行的，復合材料中的傳熱主要以導熱為主，發生在微孔里面的自然對流和熱輻射可以忽略。由于在實驗過程中，對于儲熱單元體，石墨顆粒用于填塞復合材料與管壁之間的縫隙，因此其真實熱導率是要大于模擬計算值的，這也是實驗結果中儲、放熱過程要快于模擬結果的原因。實驗和模擬結果的對比說明了本文的計算模型能用于復合材料和儲熱單元體內傳熱特性的計算。

　　3.2復合材料物理屬性的影響

　　在復合材料的制備過程中，不同比例的原材料混合制備出的復合材料熱物性也不盡相同。所以本節以單管儲熱單元體為對象，研究不同熱物性復合材料對單元體儲熱性能的影響。對于配比方案1，相變材料的質量比保持在50%，陶瓷材料的質量比為30%～45%，對應的熱導率提高材料質量比為20%～5%;配比方案2中，相變材料和陶瓷材料的質量比保持為1∶1，熱導率提高材料質量比變化范圍為5%～20%;配比方案3中，陶瓷材料的質量比保持為50%，改變相變材料和熱導率提高材料的質量比。

　　3.3傳熱流體流速的影響

　　外界操作條件(傳熱流體溫度、速度)對單元體儲熱性能的影響規律是單元體和儲熱系統優化設計的關鍵。為此，本節在前兩節的基礎上，對傳熱流體流速對單元體儲、放熱性能的影響規律進行了研究。流速研究范圍選定為0.1～8m/s，對應的雷諾數[HTFinReUD()ρ]范圍為72.5～5800�？梢钥闯觯瑔喂軆�熱單元體的儲、放熱時間都隨著流速的增加而減少。當流體流速從0.2m/s增大到8m/s時，單元體儲、放熱時間分別減少3.8倍和3.83倍，分別由28500s降到7500s，由23000s降到6000s。這是因為，流體流速的增加，流體與單元體之間的傳熱系數隨之增大，兩者之間的傳熱速率也隨之增大。所以當傳熱流體流動狀態為湍流時，單元體儲、放熱時間要遠小于傳熱流體為層流狀態時。但是應當注意，當流體流動狀態為層流時(流速為0.1～1m/s)，對單元體儲熱性能的影響很小。同時，隨著流體流速的進一步增大，其對單元體儲熱性能的影響趨勢隨之減弱。這是因為，當傳熱流體為層流狀態時，或流速增大到一定范圍時，影響單元體儲熱性能的因素由傳熱流體與儲熱單元體間自然對流的影響轉換為單元體內部熱阻的影響。

　　4結論

　　(1)復合材料的物理參數對儲能單元體的儲能性能有較大的影響。單元體總的儲能時間隨復合材料里石墨含量的增加而減小;在復合材料模塊直徑不變的前提下，模塊厚度越大，單元體的儲、放熱性能越好。

　　(2)傳熱流體速率對儲能單元體的儲能性能有較大的影響。單元體的儲、放熱時間都隨傳熱流速的增大而減少。但是，當流體流動狀態為層流時，對單元體儲熱性能的影響很小。同時，隨著流體流速的進一步增大，其對單元體儲熱性能的影響趨勢隨之減弱。這是因為，當傳熱流體為層流狀態時，或流速增大到一定范圍時，影響單元體儲熱性能的因素由傳熱流體與儲熱單元體間對流換熱的影響轉換為單元體內部熱阻的影響。

　　(3)相比于單管儲能單元體，同心管儲能單元體的儲、放熱性能更佳。在相同的操作條件下，當流體雷諾數從1875增大到7500時，同心圓管單元體的儲熱時間分別減少7%和10%，放熱時間則分別減少10%和15%。

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