管壳式潜热蓄能装置的热性能:环形翅片的作用外文翻译资料

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管壳式潜热蓄能装置的热性能:环形翅片的作用

摘要：本文对带环形翅片的管壳式潜热蓄能(LHTES)装置的熔化过程进行了数值研究。采用工业级石蜡作为相变材料(PCM)，水作为传热流体(HTF)。采用基于有限体积法(FVM)的数值模拟方法，研究了翅片数、高度和厚度对相变过程的影响。本文特别证明局部自然连接对整个相变过程的作用。结果表明，在PCM中加入环形翅片，可最大限度地缩短完全熔化时间65%。为了使热性能最大化，本文提出了一组最优肋片参数(翅片数N = 31，厚度 = 0.0248，间距 = 0.0313)。

关键词:蓄热器，优化设计，数值模拟，环形翅片。

1. 引言

共有69个国家的统计数据表明，中国、印度、巴西、泰国、南非等发展中国家的能源消费均有显著增长^[1-4]。在各种能源需求中，暖通空调系统由于对热舒适性的要求越来越高，在当今社会的总能源消耗中占有着越来越多的比重。结论表明，这些国家能源供应和消费的特点是:(1)化石燃料对能源供应的贡献仍然最大；(2)废热率远高于发达国家(高达全球能源消耗的12.2%)^[1,2]。一方面，大力发展和应用太阳能、风能、生物质能、海洋能等可再生能源，改变目前不合理的能源结构，减少二氧化碳排放；另一方面，也应采取措施，利用余热，以提高整体能源效率。

将“余热”转化为“有用热”的一种可能途径是利用工业低温余热为居民提供热水和集中供暖。由于工业厂房一般不靠近终端用户，因此开发了移动蓄能(M-TES)系统，将余热输送到终端用户^[5-9]用于供热和热水供应。与区域供热(DH)网络相比，M-TES系统以其较低的初始投资和更好的灵活性-被报道更适合分布式终端用户或热需求相对较小的用户^[5,7]。

参数命名

瑞典和中国已经对M-TES进行了技术经济评价的案例研究。研究结果表明，M-TES可与诸如颗粒/沼气/燃油锅炉系统、短距离运作的电气源热泵等供热方式进行竞争，且输送距离越大，回收期越长^[5,10]。如图1所示，M-TES系统主要由废热源、运输容器(储罐)和终端用户三部分组成。热能储存在运输容器中，并分配给终端用户用于供热和热水供应。从能源利用的角度看，M-TES系统蓄放热能的关键过程包括相变材料(PCMs)在管壳式潜热蓄热装置(LHTES)内的充(固-液)放(液-固)。传热效率对余热的综合能量利用效率有重要影响。因此，对管壳式LHTES机组相变传热的物理认识和强化传热技术对余热利用具有重要意义。

图1所示 移动储能(M-TES)系统的原理图

对于一个典型的LHTES单元，例如管壳结构，传热流体(HTF)通过内管泵入，外腔空间填充PCMs进行储能。为了提高LHTES机组的熔融/凝固传热，增加径向(环形)翅片阵列是一种提高充放电速率的有效方法^[11,12]。通过实验测量^[11-16]和数值模拟^[17-21]，广泛地研究了翅片数、高度和厚度的影响。

Choi、Kim^[13]和Lacroix^[14]对环形翅片管壳式LHTES机组的早期热性能进行了实验研究。他们研究了翅片对LHTES装置相变过程的影响。Seeniraj等人基于焓法建立了数值模型，并研究了环形翅片LHTES机组的瞬态熔融传热特性，同时还考虑了各种几何翅片参数的影响。研究结果表明，翅片数量的增加能够显著提高LHTES机组的热性能。Erek等人用实验和数值方法研究了环形翅片管壳式LHTES单元中填充PCM的瞬态凝固过程，并研究了翅片参数(翅片高度、翅片间距)、进口温度和速度对凝固过程的影响。他们认为，增加翅片高度或减小翅片间距均可显著缩短全凝固时间，最大可使全凝固时间缩短20%。Liu等人的^[15]实验报道，在采用硬脂酸作为PCM的翅片LHTES单元中，较窄宽度的薄翅片可以获得更好的热性能。翅片的强化机理主要是由于它能有效地改善热传导和自然对流。复合材料层的有效导热系数提高了三倍。

Ermis等人建立了一个数值模型，用于分析环形翅片管壳式LHTES机组的相变过程。数值模型是基于前馈、后馈的传播人工神经网络算法。翅片和流场参数的影响的研究结果表明，随着雷诺数和斯特凡数的增加，所储存的能量增加。Medrano等人^[11]用实验比较了商用PCM(石蜡- rt35)在典型的工程用LHTES单元中熔融/凝固过程的热性能。他们发现翅片管比石墨基体双管换热器具有更高的平均蓄热能力。

Ismail和Lino^[16]给出了径向翅片对环形翅片水平管内相变强化传热的实验结果，他们发现尤其是将直径为1.0 毫米的不锈钢丝制成的湍流促进剂插入杯管中能增强管内的湍流传热。结果表明，带湍流促进剂的翅片管性能优于其他两种类型(裸管和翅片管)。Guelpa等人的^[20]分析了环形翅片管壳式LHTES机组相变过程中的瞬态熵产生。他们的实验结果表明，改进后的系统可以缩短PCM凝固时间，提高第二定律的效率。Jmal和Baccar^[21]对石蜡(C18)在具有内外水平翅片的LHTES装置中的凝固行为进行了数值研究。他们强调内外翅片可以显著提高凝固速率，局部自然对流对强化传热起着至关重要的作用。Zhai等人开发了一种用于太阳能制冷、辐射制冷等高温制冷系统的蓄冷装置。他们都用实验和数值方法研究了环形翅片间距、矩形翅片数量和矩形翅片高度等结构参数对蓄冷装置充能性能的影响。研究结果表明，与无翅片机组相比，采用该机组的全凝固时间缩短了71.2%。除了环形翅片外，还有人进行了广泛的研究以进行有经度的^[23-25]，固定的^[26,27]和三重翅片^[24]的设计改进。

环形翅片的安装能够显著提高PCM区域的导热；然而，环形翅片将整个空间分割成各个小空间，从而抑制了一般人认为对相变传热非常重要的局部自然对流。因此，一个问题就产生了:为了使相变换热最大化，在一个管子上应该加多少个翅片(对于给定的翅片体积)才能够最大限度增加相变传热？已有研究^{[24,28 - 30]}表明，采用多目标响应面法(RSM)可以获得具有经度翅片的LHTES机组的最优的翅片参数。所推荐的RSM方法对于导热主导的相变过程是非常有效的，其结果对具有经度翅片的LHTES系统的翅片形状设计具有指导意义。然而，文献调查表明，对于环形翅片的LHTES机组，很少有研究能解决上述问题。因此，本研究旨在通过对如何提高安放在石蜡中的环形翅片管壳式LHTES装置的热性能进行研究以解决这一问题。选择翅片数、高度和厚度作为设计变量，以最大限度地提高所研究的LHTES装置的热性能。为此，利用商用计算流体动力学(CFD)软件ANSYS-Fluent 14.5TM，对所研究的LHTES单元内不同环形翅片的熔体相变传热进行了数值模拟。首先在光滑管(无翅片)中对数值模型进行了实验验证，并对翅片数对相变速率的影响进行了测试。对于给定的翅片体积，为使LHTES机组的热性能最大化，本文最终确定了最佳翅片数，并对各点的温度变化、响应时间和平均传热系数进行了量化。

图2所示 (a)带环翅片的管壳LHTES装置示意图；(b)计算域；(c)选定温度演化历史

2. 数值模拟

2.1 物理模型和计算区域

图2(a)设计了一种带环形翅片的立式管壳式潜热储能(LHTES)装置。设计的LHTES机组主要由两个同心圆筒组成，总长度为400毫米，其中一个由有机玻璃制成，直径较大，为44毫米；另一种是不锈钢管，直径15毫米，厚度2.5毫米。在不锈钢管的外表面均匀分布着厚度为t、高度为h的环形翅片(间距为l)。选择Rubitherm[31]提供的石蜡RT35作为PCM进行储能，并充分填充在环形空间中(图2(b))。采用水作为传热流体(HTF)从顶部注入，入口温度为52℃ ，注入速度恒定，为0.01 m/s，使得传热管流态为层流(计算管径雷诺数小于2300)。该速度可保证管壳式换热器有充分的换热时间，是Longeon等人在实验中推荐的。PCM和LHTES单元的初始温度均为22 ℃，随着热水的注入，HTF与不锈钢内壁之间发生对流换热；热能通过环形翅片传递，并由填充在环形空间中的PCM储存。考虑到本例的轴对称性质，为节省计算成本仅考虑二维计算域的一半(见图2(b))。为了记录PCM的温度历史，分析不同翅片数下的温度响应，在PCM区域选取了7个测点。这里需要注意的是，这些排成一行的点并不是严格地在相同的空间内，以确保当考虑不同的翅片数时，这些点位于PCM区域而不是翅片上。

2.2控制方程

HTF的流体流动和对流换热由以下方程控制:

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