定形相变蓄热装置蓄放热数值分析及实验

2021-12-10刘向农

合肥工业大学学报（自然科学版） 2021年11期

吴涛, 刘向农, 杨磊, 李伟

(合肥工业大学汽车与交通工程学院,安徽合肥 230009)

相变材料具有储能密度大、相变过程中在吸收或者释放大量相变潜热的同时温度波动范围小的特点。对于相变材料潜热、蓄热能力在电动汽车空调蓄热、电动汽车动力电池热管理以及移动蓄热车等方面的应用[1-3],国内外广大学者进行了广泛的研究。

同相变材料巨大蓄热潜力形成鲜明对比的是相变材料较低的导热系数和传热性能。解决这一问题的方法主要集中在2个方面:① 提高材料本身的导热性能[4-5],包括相变材料微胶囊化、材料内添加高导热系数物质、相变材料封存在高导热多孔介质内等;② 优化蓄热器结构形式[6-7],主要包括添加肋片、直接接触式蓄放热、多相变蓄热等。

将相变材料封装在高导热多孔介质内制备的复合相变材料原始状态为粉末状,将其压缩后仍有导热系数提升的空间。本文将膨胀石墨/赤藻糖醇复合相变材料压缩成形,设计一种定形相变蓄热装置。对压缩成形后的材料进行热物性参数测试,并将参数输入到建立的数值模型中；经过实验验证模型准确后,再通过控制变量法探究进口流量以及进口温度对其放热的影响；利用装置循环热效率以及放热效率的计算结果对装置的性能进行进一步的分析。

1 实验装置介绍

实验系统及蓄热装置实物如图1所示。

图1 实验系统及蓄热装置实物

系统由2个恒温水箱、可调速水泵、流量计、蓄热器、数据记录仪、调压器、示功仪、热电阻组成。系统换热介质为水,恒温水箱和周转水箱用于调节进口水流温度；水泵P2用于恒温水箱内水的补给; 水泵P1为调速水泵,用于提供系统水源的动力;阀门V2用于流量的辅助调节;蓄热器加热方式为电加热。通过调压器调节电压到合适的功率，并在功率监测仪上进行显示;共布置4个PT1000热电阻,2个用于监测进出口水温,另外2个用于监测相变材料外表面温度。

蓄热器是整个系统的重要组成部分,主要由铜管、14个压缩后的相变材料环、硅橡胶加热片组成,外部包覆的保温材料为纳米气凝胶保温棉。相变环尺寸为外环直径80 mm、孔径9.52 mm,其中1个相变环的厚度为25 mm,14个共计35 cm;铜管管径尺寸为9.52 mm、壁厚1 mm。具体实物如图1b所示。

2 数值模拟过程

2.1 物理模型

蓄热装置是一个关于轴心旋转对称的柱状体,因此可以将仿真模型简化为旋转对称的二维平面图形,大大减少了网格数量和计算资源。铜管厚度及导热系数可以直接在仿真软件中设置,因此模型中铜管壁厚无需建立。蓄热装置简化后选取的计算平面及边界条件设置如图2所示。

图2 蓄热装置仿真物理模型

复合相变材料由赤藻糖醇添加3%～4%膨胀石墨制备,原始形态为粉末状,压实后为紧密固体，使用DSC2000、激光导热仪测试其相变焓、相变温度及导热系数,测试参数见表1所列。铜管和相变材料的接触热阻采用典型金属与金属接触面接触热阻,数值为2.32×10-4m2·K/W。

表1 复合相变材料物性参数

2.2 数学模型

为了计算方便,对数学模型做出以下假设:

(1) 相变材料是均匀的,相变环之间的接触热阻忽略不计,换热流体进口温度和速度均匀。

(2) 相变材料的导热系数、比热容、相变焓均为温度的函数,通过线性拟合输入到计算中;相变材料的黏度设为无限大,忽略相变材料的过冷。

(3) 管壁和相变材料之间的接触热阻通过计算融合到管壁导热系数中;壁面外添加了保温材料，将其模拟条件设为绝热。

模拟采用fluent软件中的凝固融化模型。参考文献[8-9],得到换热流体和相变材料的能量平衡方程分别为：

(1)

(2)

相变材料焓值表达式如下:

(3)

其中:下标f表示换热流体;下标p表示相变材料;下标w表示管壁面;Tref为参考温度,单位为℃;h为换热系数,单位为W·m-2·K-1;hp、href为相变材料焓值和参考焓值,单位为J·g-1;β为液相率;L为潜热值,单位为J。

2.3 对比验证

数据模拟与实验结果的对比如图3所示。

图3 加热和释热工况数据模拟与实验结果的对比

为验证本文所建立模型的有效性,将相同条件下的数值模拟结果与实验结果进行对比，对比分为加热和释热2个部分。加热对比条件为加热功率80 W、起始温度20 ℃、停止温度127 ℃,对比位置为相变环外表面的温度;释热对比条件为管内流速0.8 、1.6 L/min,进口温度为30 ℃,对比对象为出口温度。因为铜管在蓄热时随装置一同加热,所以管壁温度较高,进入的流体首先要对管壁进行冷却,导致出口温度在初始时很高,然后突然下降。从图3可以看出，流量稳定后该模型模拟结果与实验结果耦合较好,平均误差控制在2%之内。说明该模型可以预测装置的不同运行模式。

3 装置运行结果与分析

为了对装置的不同运行情况进行更加全面完善的分析,利用上述模型对该装置的不同流量和不同进口温度工况进行数值仿真,并计算了不同工况下装置的循环热效率及放热过程效率。

不同流量工况下，设置进口流量为0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 L/min,进口温度统一设定为30 ℃;不同进口温度工况下，设置进口温度为25、30、35、40、45 ℃,流量统一设定为1 L/min。2组实验设定的停止状态均为进出口温差1 ℃。

3.1 流量、进口温度对放热过程的影响

相变蓄热器所存储的热量共分为相变潜热和显热2个部分,在该装置中相变潜热所存储的热量占总热量的63%左右。装置的释热过程同样分为2个部分,第1部分为相变潜热释放阶段,第2部分为显热释放阶段。相变特性决定了在相变发生时材料温度变化较小并且可以释放出大量的热量,因此在潜热释放阶段换热流体的出口温度可以保持在一个较高的水平。

出口温度曲线前半部分如图4所示。相较于潜热,显热阶段热量的释放会伴随着温度的下降,换热温差降低，因此放热阶段的第2部分出口温度下降比较明显。

随着流量的增加,管道内流体速度也不断增加,速度增加导致换热流体和材料之间的换热不充分,热量无法取出,出口温度就会降低(图4a)。速度增加的同时也会提高流体侧换热系数,但是整个系统中热阻主要集中在材料侧,导热强化的方向也应该集中在材料侧,流体侧换热系数的增加对整个装置的换热能力提升效果很小。

据热流量表达式Φ=kA(tp-tf),入口温度的增加会导致换热流体与相变材料之间换热温差减小,相同时间内取出的热量也会减少,因此相同流量下随着进口温度的升高，流体进出口的温差会变小(图4b)。在潜热释放阶段,相变材料温度变化很小,换热温差较高,因此不同进口温度工况下流体进出口温差区别较为明显。进入显热释放阶段后,热量的取出会伴随着材料温度的下降,换热温差也会随之降低,不同进口温度工况下流体进出口温差的区别也会减小。

3.2 装置循环热效率及放热过程效率分析

综合考虑换热温差以及放热时间,对装置的循环热效率ξ以及放热效率η进行计算,具体计算公式[10-11]为：

(4)

(5)

其中

(6)

(7)

其中:t1为释热完成时间;t2为加热完成时间;Tini为材料初始温度值;Tm为相变温度;cp,s为材料固态时比热容;cp,l为液态时比热容。

装置的循环热效率如图5所示。

图5 循环热效率

由图5可知，随着温度和流量的增加,循环热效率均呈减小趋势。不同进口温度放热时间相差不多,但由于换热温差减小,即换热的动力减小，导致一部分能量无法取出,降低了装置的循环热效率。相较于低进口温度,高进口温度取热范围更小,取出的热量少,会使效率下降。流速的增加提高了管内的换热系数,但是换热流体的换热时间大幅减少,导致在相同的换热温差下取不出热量,放热时间变短,循环热效率变小。

装置释热时首先释放潜热,潜热的存储量大,且温度变化小,因此效率在前期增长速度较快。随着潜热释放完成,装置内部存蓄的热量减少,同时显热的释放随着温度的下降,效率增长越来越缓慢,最后趋于稳定,释热过程结束。不同流量工况下,前半段由于潜热大温度变化小,可以以量换质，相差不大,但是后期潜热释放完成后,差距逐渐拉大。因此在应用过程中可以考虑采用流量逐渐减小的方式,在潜热以及显热阶段都能获得更大的效率。入口温度增加,换热温差减小，导致损失减小,因此温度低时虽然获得了较高的进出口温差,但计算进口温度高时的效率仍然较高。从图6b可以看出，随着进口温度每次增加5 ℃,放热时间变化不大,效率增加的趋势却在减缓,因此较大的进口温度对系统的运行并没有太大的好处,要根据系统的运行情况设置合理的供回水温度。结合不同流量工况放热情况,当进口温度较高时可以适当减小流量以获得更多的换热时间,提高换热流体的进出口温差,使效率的增长趋势可以进一步提高。