螺旋凹槽相变球蓄热效率仿真与研究

方桂花，张 伟，刘殿贺，于孟欢

（内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古 包头014010）

1 引言

余热是很重要的可利用资源之一［1］。将热能有效的储存起来，在适当的时候取出使用，缓解了供、需双方在时间、地域和强度等方面的关系［2］。在很大程度上提高了能源的利用率。例如，风力发电系统中增加了相变蓄热储能单元可以降低不稳定热源带来的消极影响。实现了削峰填谷的效果［3］。提高了整个系统的利用率。

因相变材料可在相变温度范围内用潜热形式储备大量的热量［4-6］，所以相变水箱具有体积小、蓄热量大、蓄热稳定等优点，但相变蓄热存在的普遍性问题就是相变材料的导热系数比较低，严重制约了相变材料与热源之间的换热效率。文献［7］采用数值模拟与试验相结合的方法研究了等温加热条件下添加不同高度环形翅片时球形容器内的约束熔化传热过程，发现添加环形翅片显著加快了球形容器的储热速率。文献［8］对球形胶囊内翅片的熔化过程进行实验验证发现胶囊内添加翅片增大传热效率，且随着翅片长度的增大，胶囊内温度分布均匀化。施娟［9］等人研究了多孔泡沫金属对蓄冰球内流体冻结传热过程的影响，发现蓄冰球内多孔泡沫金属能有效强化蓄冰球内流体冻结传热。

上述研究都是通过增强球内区域导热的方式来提高蓄热效率。均未研究蓄热单元表面结构对蓄热效率的影响。用数值模拟的方法以传统球形相变单元为基础，对其蓄热过程进行了模拟，研究分析了传统蓄热球的蓄热特性，提出设计了一种表面带有螺旋凹槽的球形封装单元，对其蓄热性能模拟后发现此结构对整个蓄热箱的蓄热效率的提高具有很大意义，为相变蓄热单元的结构优化提供了理论基础。

2 蓄热装置的物理模型和数学模型

2.1 蓄热箱的物理模型

蓄热单元内填充导热系数较高的PCM主材八水氢氧化钡，其热物性参数，如表1所示。圆桶内径300 mm，壁厚1 mm，长400 mm，进、出水管内径20 mm。将球均匀分布蓄热箱内，进水口在下，出水口在上。光滑蓄热球直径61.25 mm，球的体积为120268.871 mm³，表面积为11785.881 mm²。凹槽蓄热球直径为65 mm，其凹槽形状为螺旋状，凹槽横截面为直径为10 mm的半圆，其体积大小为120268.871 mm³，表面积为156 28.847 mm²，其物理模型，如图1所示。改进前后相变单元体积相等，即PCM质量相等。将其分别装入圆桶中，分别定义为光滑球蓄热箱和凹槽球蓄热箱，其物理模型，如图2所示。

表1 PCM（主材八水氢氧化钡）的热物性参数Tab.1 Thermophysical Parameters of PCM（Barium Hydroxide Octahydrate）

图1 螺旋凹槽蓄热单元结构Fig.1 Spiral Groove Heat Storage Unit Structure

图2 光滑球蓄热箱和凹槽球蓄热箱结构Fig.2 Smooth Ball Regenerator and Groove Ball Regenerator Structure

2.2 蓄热箱的数学模型

为简化计算，作如下假设：（1）忽略主材八水氢氧化钡相变过程中体积变化对外壳的应力作用的影响。（2）载热流体与PCM的热物性参数（比热容/导热系数）不随温度变化而发生变化。（3）蓄热箱绝热，忽略热量的散失。（4）水流冲击相变小球时，小球不发生移动和偏转。（5）忽略蓄热球的壁厚。

连续性方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：H-相变潜热；ρ-相变材料密度液相速度；Se-能量方程源项；Si-动量方程源项；vi-速度分量；P-压强；u-液相黏度；k-导热率。

3 蓄热箱的数值模拟

3.1 计算参数设置

应用ICEM CFD建立蓄热箱的几何模型并对其进行网格划分，将ICEM中生成的mesh文件导入FLUENT软件中，开启3D分离式非稳态求解器，并检查网格质量和尺寸，激活能量方程（Energy Equation）和湍流物理模型（k-e），应用Solidification/Melting模型进行相变过程的数值仿真。在边界条件设置上，采用压力出口和速度进口，进口流速依次设为0.1m/s和0.15 m/s，进口温度依次设为358 K和363 K。PCM初始温度为308 K。

3.2 蓄热箱的数值模拟

在fluent中对装有光滑蓄热球和凹槽蓄热球的蓄热箱在不同工况下依次进行数值模拟。通过蓄热单元的温度分布曲线来分析蓄热过程中PCM的温度变化，利用蓄热单元的液相率分布曲线来分析蓄热时长。同时利用蓄热箱中PCM的液相率分布云图了解蓄热单元液相率分布。对比分析相同工况下光滑球蓄热单元和凹槽球蓄热单元对蓄热箱蓄热性能的影响

4 蓄热过程模拟结果及分析

由图3和图4可以看出，中间一列蓄热球最先熔化，之后周围的蓄热球才慢慢熔化，这是因为中间进水管的水流量大于两边进水管的水流量，使得热量从中间沿着水流方向传递，再扩散到周围。在同一工况下，同一时刻凹槽蓄热球熔化程度大于光滑球熔化程度，这是因为凹槽蓄热球的凹槽结构增加了PCM与热水之间的热交换面积，如图5所示为凹槽表面流体流动矢量图，从图中可以看出，上层和下层凹槽表面总体水流沿着螺旋凹槽方向流动，中层凹槽表面总体水流自上而下流动，与热媒体（水流）下进上出方向相反，由此可知球表面的螺旋状凹槽改变了流体的流动状态，促进了水箱内水的循环，一方面，增加了热媒体与相变单元的换热时间，另一方面，增加蓄热箱内流体的扰动，出现了多的紊流区域，在一定程度上增强了对流传热，避免了热量的流失，提高了换热效率，对整个蓄热箱而言，提高了整体的蓄热效率，减少了蓄热时间。

图3 3000s时蓄热箱内PCM的液相率分布云图（入口流速0.1m/s，入口水温363K）Fig.3 Liquid Flow Rate Distribution of PCM In The Regenerator At 3000s（Inlet Flow Rate 0.1 m/s，Inlet Water Temperature 363K）

图4 3000s时蓄热箱内PCM的液相率分布云图（入口流速0.15m/s，入口水温363K）Fig.4 Liquid Flow Rate Distribution of PCM In The Regenerator At 3000s（Inlet Flow Rate 0.15 m/s，Inlet Water Temperature 363K）

图5 螺旋凹槽表面水流流动矢量图Fig.5 Spiral Groove Surface Water Flow Vector

由图6和图7可以看出，在两种工况下，光滑球蓄热箱和凹槽球蓄热箱在蓄热过程中，PCM的温度随时间的变化趋势基本一致，大体分为三个阶段，即蓄热初期升温比较快的显热蓄热阶段；温度基本保持不变的潜热蓄热阶段；蓄热后期温度又有所上升的显热蓄热阶段［10］。在（入口流速0.1m/s，入口水温363 K）此工况下，凹槽球蓄热箱内PCM潜热蓄热时长比光滑球蓄热箱内PCM潜热蓄热时长缩短了大约3000s，在（入口流速0.15m/s，入口水温363K）此工况下，凹槽球蓄热箱内PCM潜热蓄热时长比光滑球蓄热箱内PCM潜热蓄热时长缩短了大约1500s，这说明凹槽球蓄热箱内PCM比光滑球蓄热箱内PCM提前完成固-液相变。

图6 蓄热时两种蓄热箱内PCM的温度曲线（入口流速0.1m/s，入口水温363K）Fig.6 Temperature Curve of PCM In Two Regenerators During Heat Storage（Inlet Flow Rate 0.1m/s，Inlet Water Temperature 363K）

图7 蓄热时两种蓄热箱内PCM的温度曲线（入口流速0.15m/s，入口水温363K）Fig.7 Temperature Curve of PCM In Two Regenerators During Heat Storage（Inlet Flow Rate 0.15 m/s，Inlet Water Temperature 363K）

由图8和图9可以看出，在两种工况下，两种蓄热体的液相率与时间都成正比关系。在（入口流速0.1m/s，入口水温363K）此工况下，光滑蓄热球蓄热时液相率产生于1500s，在6 000s完成相变。凹槽蓄热球蓄热时液相产生于950s，在3750s液相率到达1，相变完成。蓄热效率提高了37.5%。在（入口流速0.15 m/s，入口水温363K）此工况下，光滑蓄热球蓄热时液相率产生于1 200s，在4000s完成相变。凹槽蓄热球蓄热时液相产生于750 s，在3000s相变完成。蓄热效率提高了25%。由图6～图9可以得出，水流流速影响蓄热箱的蓄热效率，在一定范围内，流速越大，蓄热箱蓄热时间越少。

图8 蓄热时两种蓄热箱内PCM的液相率曲线（入口流速0.1 m/s，入口水温363K）Fig.8 Liquid Phase Rate Curve of PCM In Two Regenerators During Heat Storage（Inlet Flow Rate 0.1 m/s，Inlet Water Temperature 363K）

图9 蓄热时两种蓄热箱内PCM的液相率曲线（入口流速0.15 m/s，入口水温363K）Fig.9 Liquid Phase Rate Curve of PCM In Two Regenerators During Heat Storage（Inlet Flow Rate 0.15 m/s，Inlet Water Temperature 363.15K）

在（入口流速0.15m/s，入口水温363K）此工况下，改进前、后蓄热箱出口温度随时间变化，如图7所示。

由图可以得出：凹槽蓄热球蓄热箱出水口温度比光滑蓄热球蓄热箱出水口温度低，说明在相同工况的前提下，相等蓄热时间内蓄热箱消耗的能量是相等的，但是凹槽蓄热球蓄热箱单位时间的蓄热量增加，这与相同体积下的PCM为前提，凹槽蓄热球蓄热箱蓄热时间短相吻合。

图10 改进前/后出口温度随时间的变化Fig.10 Improve The Change of The Front/rear Outlet Temperature With Time

5 结论

（1）与相同体积下的传统蓄热球比较，螺旋凹槽蓄热球换热面积大，提高了蓄热效率。（2）球表面的螺旋状凹槽，改变了蓄热箱内流体的流动状态，增加流体的扰动，出现了多的紊流区域，在一定程度上增强了传热。（3）在入口流速0.1m/s、入口水温363K和入口流速0.15m/s、入口水温363K两种工况下，与光滑蓄热球蓄热箱比较，凹槽蓄热球蓄热箱蓄热效率分别提高了37.5%和25%。（4）在一定范围内，流速越大，蓄热箱蓄热效率越高。