通信用蓄电池恒温柜蓄放热过程的数值模拟

崔海亭，孙坤坤，蒋静智

（河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018）

随着信息化的日益推广普及，信息通信业能源消耗量也与日俱增［1］。中国作为一个通信大国，为保障通信网络的不间断运转，网络所需的电力等能源需求也在日益增长。为避免电力异常带来的服务中断，除尽可能的提高供电系统的可靠性外，通信用蓄电池作为储备电能，同时也是应付电网异常情况、维系通信系统正常运转的关键设备［2-3］。目前通信用的蓄电池是阀控式密封铅酸蓄电池，它对温度要求较高，要求在15～25℃之间。温度降低会使蓄电池容量下降，温度每下降1℃，其容量下降1%；温度升高会使蓄电池寿命缩短，长期运行时温度每升高10℃，电池的浮充寿命将缩短一半［4-6］。通信蓄电池恒温柜就是为了解决蓄电池工作温度问题而设计的通信设备，将蓄电池容纳在内，只需要保持蓄电池15～25℃之间的工作温度，而基站内环境温度就可以从25℃提高到30℃～40℃，从而降低了基站内空调的整体能耗［7］。

通信用蓄电池恒温柜以较强的针对性，提出的点式局部温度控制的概念，控制通信用蓄电池运行的局部环境温度，延长蓄电池的使用寿命［8］，通过相变材料储能技术＋半导体制冷技术的配置模式，可以完全取代目前压缩机氟冷制冷方式，成为通信基站点式温度局部控制节能技术的典型设备。鉴于此，本研究利用FLUENT软件对带有相变材料和半导体制冷设备的蓄电池恒温柜的蓄热过程进行了模拟，为蓄电池恒温柜在实际中的应用提供了理论依据。

1 数值模拟

1.1 物理模型

图1所示为蓄电池恒温柜的示意图，其长、宽、高分别为1 300mm，700mm和1 000mm，箱壁是不锈钢，外部包裹绝热材料，内部依次为空气、蓄热体和蓄电池。蓄热体为10块相变蓄热板，板壁为不锈钢，内部填充三元脂肪酸／膨胀石墨复合相变材料（PCM），其长、宽、高分别为200mm，500mm 和30mm；蓄电池有24块，其长、宽、高分别为300mm，100mm和300mm。

1.2 物性参数

图1 恒温箱模型示意图Fig.1 Incubator of multitube model

所选用的相变材料为三元脂肪酸／膨胀石墨复合相变材料，蓄热体壁面材料为不锈钢，其物性参数如表1所示［9］。

表1 PCM的物性参数Tab.1 Physical properties of PCM

1.3 数学模型

利用FLUENT软件对蓄电池恒温柜控温过程进行模拟时，为计算简便，进行如下基本假设［10-11］：1）PCM各向同性；2）蓄热器相变材料固态、液态时的热物性不同；3）忽略恒温箱体外壁面的热量损失及蓄热体壁厚的影响；4）满足bousssinesq假设，只在浮升力项中考虑流体密度的变化；5）相变材料中，液相区流体为不可压缩牛顿流体；6）考虑自然对流的影响，自然对流为层流。

FLUENT软件中的凝固／熔化模型是以焓为待求变量，即在相变过程中固相、液相与两相交界面全部区域内建立统一的能量方程。其相变区基本的能量方程为［12-13］

其中，相变材料的焓通过h以及潜热ΔH来计算：

式中：ρ为传热流体密度，kg／m3；→v为流体速度矢量，m／s；λ为导热系数，W／（m·K）；H为任意时刻的比焓，kJ／kg；h为显热值，kJ／kg；href为基准焓值，kJ／kg；ΔH为物质相变潜热，kJ／kg；t为相变时间，s；T为蓄热体任意时刻温度，K；Tref为基准温度，K；cp为定压比热，kJ／（kg·K）。

β为液相体积分数，表示PCM熔化／凝固过程中液相比例，相变过程中其值在［0，1］之间变化：当PCM温度小于熔化温度时，β=0，PCM为固相；当PCM温度等于熔化温度时，0＜β＜1，PCM为固液两相共存；当PCM 温度大于熔化温度时，β=1，PCM 为液相［14］。

此外，动量方程中源项为

其中：ε是一个小于0.000 1的数，防止被零除；v为流体速度；vp为牵连速度；Amush为糊状区的连续数。

初次接触科雷的产品是在学校的实习课上，老师带着我们参观印刷厂介绍印前设备时，指着一台科雷的CTP制版机说：“这个牌子大家记一下，中国制造，他们的产品远销海外。”一直很好奇，为什么科雷能占据全球CTP装备市场15%的份额，且新增产品的市场占有率更是高达30%，当我站在科雷融合智能化与绿色化的生产工厂中，我想我不仅找到了答案，更看到了印前装备领域中国制造的未来。

1.4 FLUENT参数设置

1.4.1 几何模型的建立

利用GAMBIT软件建立几何模型并划分网格。箱体外表面为绝热壁面，蓄电池为热源。其中蓄电池和蓄热体与箱体内空气的交界面无需设置边界类型，FLUENT默认为耦合界面。运用GAMBIT中的mesh volumes进行四面体网格划分。

1.4.2 计算参数设置

在FLUENT软件中导入GAMBIT输出的网格文件，选择3D分离式非稳态求解器求解，选择solidification／melting模型模拟相变过程［15］。设置蓄电池放热的热通量为40W／m2，利用patch面板指定相变材料区域和固体区域的初始温度，熔化时箱体内空气的初始温度为288K，相变材料温度为290K。凝固时箱体内空气温度为298K，相变材料温度为295K。

在求解器的控制参数设置面板中设定压力和速度的耦合采用SIMPLC算法。为了得到PCM温度及液相率和空气温度等参数随时间的变化规律，迭代前需要在适当的位置设置监视器，设置了3个监视器，分别为PCM区的温度监视器、PCM液相率监视器和恒温箱内空气温度监视器，用来监测整个熔化及凝固过程中的变化情况。开始迭代时，时间步长的设置不能太大或太小，要保证在最大的迭代步数内能够稳定收敛。

2 模拟结果及分析

2.1 熔化过程

图2为熔化过程中PCM区的液相率曲线，图3为熔化过程中PCM区的平均温度曲线，图4为熔化过程中恒温箱内空气的平均温度曲线。由这3个图可以看出，熔化过程初期PCM区域为固态导热过程，液相率为零，因为初始空气温度为288K，PCM为290K，所以PCM区域温度呈先降后升的趋势，此时为显热蓄热阶段，恒温箱内空气温度上升很快；经过5min的固态导热，PCM开始熔化，整个PCM区域的温度基本保持在熔点区间内，材料吸收热量熔化储存潜热而温度升高并不明显，同时由于PCM熔化吸收大量的热，导致箱体内空气升温速率降低；随着换热的进行，PCM的熔化速率逐渐增大，这是由于在相变过程中换热，主要是由热传导和热对流引起的。在熔化初期，相变材料的主要换热方式是热传导换热，换热效率低，随着液相率的增大，整体PCM区域内热传导换热作用逐渐减弱，自然对流换热作用相应加强，从而使熔化速度加快；直到整个PCM区域全部熔化，即液相率达到1.0后，温度又开始升高，但是温度上升的速度却比熔化前慢，这是因为PCM完全变为液体后导热系数变小，同时由于PCM从潜热蓄热阶段变为显热蓄热阶段，升温所需要的吸收的热量减少，箱内空气的升温速率再次变大；最后，当箱体内空气温度增加到298K时，开启空调设备，输送冷空气，从而控制箱体内的环境温度。

图2 熔化过程中PCM区的液相率曲线Fig.2 Liquid fraction change on PCM area in melting process

图3 熔化过程中PCM区的平均温度曲线Fig.3 Temperature change on PCM area in melting process

2.2 凝固过程

图5为凝固过程中PCM区的液相率曲线，图6为凝固过程中PCM区的平均温度曲线，图7为凝固过程中恒温箱内空气的平均温度曲线。由这3个图可以看出，凝固初始阶段，经过对流传热，PCM开始凝固，温度下降很快，这是因为液态PCM传热系数大，且初始阶段在冷空气的作用下箱体内空气快速降温，增大了传热温差；当PCM温度下降到熔点后，温度变化速率减慢，从2min开始，随着时间的递增，整个PCM区的温度基本保持在凝固区间内，而液相率先快速减小，后逐渐变平缓，这是因为相变材料在凝固初期，液相分数较大，液相相变材料自然对流使液态区域温度均匀化，加速凝固。随着换热的进行，自然对流作用逐渐减弱，凝固主要由热传导换热，凝固速度减慢；随着温度的继续降低，PCM完全凝固，其温度又开始较快的下降，而由于PCM放热阶段的变化，其降温释放的热量减少，箱内空气的降温速率再次变大；最后当箱体内空气温度下降到288K时，关闭空调，停止冷气的输送。

图4 熔化过程中恒温箱内空气的平均温度曲线Fig.4 Air temperature change in the incubator during melting process

图5 凝固过程中PCM区的液相率曲线Fig.5 Liquid fraction change on PCM area in solidification process

图6 凝固过程中PCM区的平均温度曲线Fig.6 Temperature change on PCM area in solidification process

3 结 论

图7 凝固过程中恒温箱内空气的平均温度曲线Fig.7 Air temperature change in the incubator during solidification

介绍了运用FLUENT凝固／熔化模型，求解相变问题的数学模型和参数设置情况，并利用FLUENT软件对有相变蓄热体的新型蓄电池恒温柜蓄放热过程进行了数值模拟，得到了在空调及蓄热体双重控温条件下，相变材料凝固／熔化时间以及不同时刻相变材料温度、液相率和箱体内空气温度随时间的变化曲线，并对结果进行了分析，掌握了恒温箱内温度的变化规律，为新型蓄电池恒温柜在通信机房中的实际应用提供了理论依据。

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