相变蓄热球体堆积床传热模型及热性能分析.docx

相变蓄热球体堆积床传热模型及热性能分析康艳兵张寅平江亿朱颖心简介：为提高普适性和预测性，建立了相变蓄热球体堆积床热性能的传热模型，可以对系统多种热性能参数进行计算分析。经验证明模型结果与实验结果较吻合。表明该模型对相变蓄热球体堆积床的结构设计、性能模拟及运行管理可提供理论指导。关键字：蓄热相变材料传热蓄冰球体堆积床近年来，随着人们节能和环保意识的不断增强，相变贮能系统应用日益广泛，在太阳能利用、区域供热和供冷（DHC）、建筑节能系统、蓄冷空调系统和一些余热回收系统中已经获得应用或正在引起研究者的关注［1，2］。相变蓄热球体堆积床是相变贮能系统的一种常用结构形式，它具有单位体积的传热面积大、结构简单等优点。国内外学者对其储、传热特性进行了大量研究［3～8］，但令人不能完全满意的是一些方法过于简化［5，6］，难以全面反映系统热性能特征，一些方法仅对冰蓄冷情况进行了分析，有些参数需依靠实验确定，普适性和预测性不强。鉴于此，提出相变蓄热球体堆积床的传热模型，力求具有较宽的适用面（不局限于某一种工质和工况），较全面地反映系统的储、传热性能。文中模型既能模拟计算相变传热速率、流体出口温度、蓄热量等易测参数，也可求解沿轴向的相变界面及流体温度分布、系统的有效传热系数、有效传热面积、相变材料发生相变的比例等难测参数随时间的变化规律。模型计算结果与文献［8］实验结果较吻合。作为算例，利用文中模型对该实验台其它热性能参数进行了模拟分析。该模型对相变蓄热球体堆积床的结构优化设计和性能模拟分析有一定帮助。1传热模型相变蓄热球体堆积床的结构如图1(a)所示。(a)相变球体堆积床示意图b)单元相变球体结构参数图1相变蓄热球体堆积床结构图为了突出问题本质并使问题合理简化，作如下假设：1)相变传热过程的斯蒂芬数Ste<<1，即在相变过程中可忽略显热的影响；2)对融化问题，忽略相变材料液相自然对流；3)传热流体流程长度远大于球径，即L>>2r0；4)球体内固相和液相无密度差，各相内物性均一；5)掠过单元球体外表面的流体温度及对流换热系数的不均匀性可忽略。由假设4)和5)可知，单元球体凝固与融化过程相变界面呈同心球形状，如图1(b)所示。1.1传热模型对图1(a)所示的微元体，传热流体和相变球体应满足的能量平衡方程为对相变球体：(1)对传热流体：(2)(3)其中，下角标p，f，w分别代表相变材料、流体和球壳。为流体流量，4πr30为堆积床中相变球体的总传热面积，Rf,w=为流体和球体壁面间的对流换热热阻，Rw=为球壳导热热阻，为相变层导热热阻。Ac和ε分别为堆积床的横截面积和孔隙率。初始条件：rp(x,t=0)=rp,0(x)，Tf(x,t=0)=Tf,i；边界条件：Tf(x=0,t)=Tf,in(t)。1.2量纲为1化为了更本质地刻画该类相变换热器的共性特征，拓宽模型的适用范围，对涉及参数及方程进行了量纲为1化：令由式(1)和式(2)，得(4)(5)初始条件：边界条件：θf(X=0,Fo)=1.解方程(4)和(5)，得(6)(7)对给定的X、Fo，根据式(6)、(7)进行迭代求解可求出θf(X,Fo)和(X,Fo)。某一位置某一时刻的迭代初值为θ*f(X,Foi)=θf(X,Foi-1)和*p(X,Foi)＝p(X,Foi-1)，即取同一位置上某一时刻值作为迭代初值。当某一轴向截面上的球体全部发生相变，即p(X,Fo)＝0时，记此时该截面距进口处的无量纲距离为Xin(Fo)，见图2。此后的相变传热过程仅发生在X>Xin部分，而X≤Xin部分仅有显热传热，因为Ste<<1，即相变材料的显热远小于其潜热，所以可忽略此部分传热，于是式(7)的积分下限应取Xin。这说明堆积床相变传热过程中有效传热面积会逐渐减小，它占总传热面积的比例为(8)图2相变界面随时间变化规律示意图在有效传热面积上无量纲有效总传热系数，即有效总传热系数与对流换热系数之比为(9)对于给定的系统，求出θf(X,Fo)和p(X,Fo)后，可以计算其逐时储、放热速率、逐时蓄热量和相变蓄热比，即蓄热量与最大蓄热量之比，其分别为：(10)(11)(12)转贴于1.3模型适用范围讨论1)应满足前文的5个假设。2)适用于入口处流体流量及温度随时间变化和局部对流换热系数不为常数的情况。因此可藉此模型分析变流量、变进口温度及需考虑进口段效应的情况。3)适用于计算初始时刻有残余固相或液相相变材料的情况。4)适用于相变传热过程中有效传热面积变化的情况。5)适用于相变材料固液相密度差较小及流体温度与相变材料融点相差不大的情况。2模型验证利用本实验室球形冰蓄冷装置［8］，在蓄冷和放冷两种工况下，将本文模型计算的流体出口温度和逐时蓄热量与实验结果的进行了比较(见图3～6)。图3流体出口温度比较(蓄冷工况)图4逐时蓄热量比较(