肋片长度对相变材料熔化过程影响的数值模拟

2021-10-06赵敬德杜畅

建筑热能通风空调 2021年8期

赵敬德杜畅

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

相变蓄热被广泛应用于建筑的空调与供暖、太阳能利用系统、和季节性蓄能[1-2]。但大多数相变材料的导热系数都很低，小于1 W/(m·K)，而高性能的相变系统往往要求在小温差（＜10°C）工况下运行。因此，固液相变的高效传热技术是提高相变蓄能装置性能的技术关键。

在蓄能装置中加设肋片是最主要的强化传热措施，研究者们基本都是在肋片的长度，宽度，厚度，间距和角度等方面入手研究强化效果[3-5]。

但目前对蓄热器肋片的研究结果缺少更具体和精确的结论，对实际应用中蓄热器的结构优化的指导意义不大。本文在典型三套管蓄热器模型的基础上，对纵向肋片的长度进行了更精细的划分，对光管蓄热器与7 种肋长的蓄热器的熔化过程进行了模拟，揭示了纵向肋片对三套管式相变蓄热器的强化传热的机理，研究了肋片长度对熔化过程的影响，为三套管式相变蓄热器的结构优化提供了一定的参考方向。

1 数理模型

1.1 物理模型

本文研究的三套管式相变蓄热器结构示意图如图1 所示，模型内管半径ri=25.4 mm，壁厚1.2 mm。中间管半径rm=75 mm，壁厚2 mm。外管半径ro=100 mm，壁厚2 mm。管和肋片的材料为铜，相变材料填充在中间管，热流体通过内管和外管。本文在进行数值模拟时，省去了外管并忽略了管壁厚度，将物理模型简化为二维模型，如图2 所示。本文在文献[3]的典型三套管蓄热器模型的基础上，对纵向肋片的长度进行更为精细的划分，设置了7 种肋片长度的蓄热器模型，肋片参数如表1 所示。材料的热物性参数如表2 所示。

图1 蓄热器结构示意图

图2 蓄热器物理模型

表1 不同工况下肋片结构参数

表2 材料物性参数

1.2 初始及边界条件

设定相变材料初始状态为固体，初始温度为300.15 K。

边界条件：在r=rin处，T=Tref=363.15 K；在r=rm处，T=Tref=363.15K，即从内管和外管同时对相变材料进行加热。

1.3 数值计算

对蓄热器模型，设置相变材料区域为计算域，采用二维模型，网格形式采用混合网格。

采用非稳态隐式的求解方法对熔化过程进行模拟，压力与速度耦合使用SIMPLE 算法，压力修正方程采用了Standard 方法。动量方程和能量方程采用二阶迎风差分格式求解。压力，速度，能量和液体分数的亚松驰因子分别设为0.3，0.2，1.0 和0.9。

1.4 数学模型验证

为了验证本文数学模型的正确性，将本文模拟得到的数值结果与Al-Abidi 等[6]的实验数据进行了比较，相变材料的平均温度的随时间的变化如图3 所示。结果表明，模拟结果与文献数据基本吻合，说明本文所选取的数学模型是准确可靠的，故可以利用该数学模型进行数值模拟分析。

图3 相变材料平均温度随时间的变化

2 计算结果

图4 是不同工况下，相变材料液相比随时间的变化云图。从图中可以看出，肋片管蓄热器的熔化速率远大于光管蓄热器，即增加纵向直肋可以有效缩短相变材料熔化所需时间。

图4 不同工况下相变材料液相比随时间变化的云图

图5 是不同工况下相变材料液相比随时间变化曲线。表3 是不同工况的相变材料的完全熔化时间及百分比。可以看出，随着肋长的增加，熔化时间缩短，其中工况8 肋长47 mm 的蓄热器熔化时间最短，只用了光管熔化时间的34.7%。但由于肋片长度划分地较为精细，所以不同肋长的蓄热器之间的熔化速率差别不明显。

表3 不同工况下相变材料熔化时间及百分比

图5 不同工况下相变材料液相比随时间变化曲线

图6 是本文所研究的7 种肋片管蓄热器的熔化时间随肋长的变化曲线。从图中可以看出，相变材料的熔化时间随肋长的增大呈下降趋势，但肋片长度增大到某一临界值之后（图中虚线对应的长度），继续增加肋片长度并不会显著缩短熔化时间。因此，在优化套管式蓄热器结构时，肋片的强化传热效果并不是随着肋长增加而总是显著地加强，可选择临界肋片长度作为一种参考方向。而对于本文所研究的套管式蓄热器，临界肋片长度为44 mm，为三套管中间管和内管半径差的89%。