板式石蠟儲(chǔ)熱器傳熱的數(shù)值模擬

郭茶秀 ．張務(wù)軍。．魏新利 ．王定標(biāo)(1．鄭州大學(xué)化工學(xué)院450002；2．河南省天泰礦冶安全咨詢公司45OOO3)

摘 要：在相變儲(chǔ)熱器中采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)，克服相變材料的低導(dǎo)熱性能，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。應(yīng)用FLUENT軟件數(shù)值模擬了翅片強(qiáng)化板式石蠟儲(chǔ)熱器的凝固傳熱過(guò)程，得到隨時(shí)間變化的相界面位置、總凝固時(shí)間、壁面熱流、翅片溫度分布等，并進(jìn)一步分析了翅片對(duì)不同長(zhǎng)寬比W的儲(chǔ)熱器的強(qiáng)化傳熱效果。模擬結(jié)果表明，只有當(dāng)叫≥1時(shí)，翅片才能對(duì)儲(chǔ)熱器起到明顯的強(qiáng)化傳熱作用，研究結(jié)果可為相變儲(chǔ)熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：相變材料,傳熱,數(shù)值模擬,板式儲(chǔ)熱器
中圈分類號(hào)：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005—7439(2006)06 0243—06
Numerical Simulation for Heat Transfer Problem in Paraffin Storage Slab
GUO Cha—Xiu ，ZHANG W mJun。。WEI Xin-Li 。WANG Ding-Bbiao
(1．School of Chemical Engineering。Zhengzhou University。Zhengzhou 450002-China；
2．Henan Tite Mineral&Metallurgical Safety Engineering Consultants Co．，Ltd．，Zhengzhou 450003，China)

Abstract：Using heat transfer enhancement techniques tO overcome the low heat——conductivity of the phase change material(PCM)has attracted great interest in research around the world．This paper uses fins as the heat transfer enhancement in a paraffin storage slab。and heat transfer in the solidification process is numerically simulated by Fluent software．The solid— liquid interface location-the total solidification time。wall surface heat
flux and temperature distribution of the fin in the PCM slab are presented．Moreover-heat transfer enhancement effects of the fin on the solidification process in the PCM slab with different ratio of length tO width are analyzed．The results show that the fins can significantly enhance heat transfer in the PCM slab when。which gives a reliable basis for the optimize design of the latent heat storage device．
Keywords：PCM ；heat transfer；numerical simulation；finned storage slab

相變儲(chǔ)熱器利用相變材料(PCM，phase change materia1)的固液相變過(guò)程來(lái)完成熱能的存儲(chǔ)和釋放，具有體積小、儲(chǔ)熱密度大和恒溫放熱等優(yōu)點(diǎn)，在空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)、建筑物砌體充填、熱泵干燥機(jī)組和空調(diào)機(jī)組供暖等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。在眾多的相變材料中，石蠟以潛熱大、化學(xué)性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)已應(yīng)用在室溫蓄熱、熔鹽發(fā)電和太陽(yáng)能等方面。但石蠟導(dǎo)熱性能差(導(dǎo)熱系數(shù)為0．1～O．2W／(m ·K)，在凝固過(guò)程中，隨著相變材料的固一液界面離開(kāi)傳熱面，由于凝固層不斷地增厚傳熱阻力大大增加、凝固速度越來(lái)越小，因此必須采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)才能達(dá)到預(yù)期效果。目前已有的強(qiáng)化傳熱技術(shù)n 主要有采用攪拌器／振動(dòng)器、使用微膠囊相變材料、使用PCM-石墨復(fù)合材料以及應(yīng)用擴(kuò)展表面(如翅片和蜂窩結(jié)構(gòu))等。其中在儲(chǔ)熱器中使用擴(kuò)展表面的強(qiáng)化傳熱技術(shù)效果顯著、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因而受到關(guān)注，國(guó)外的相關(guān)報(bào)導(dǎo)也比較多[2 ]。如Velraj等[2 實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究表明垂直翅片管中相變材料的凝固時(shí)間是光管的1／n( 為翅片的個(gè)數(shù))；
BugajeE 實(shí)驗(yàn)研究了鋁翅片管和星狀結(jié)構(gòu)兩種相變儲(chǔ)熱器的強(qiáng)化效果，結(jié)果表明，鋁翅片管的性能比星狀結(jié)構(gòu)的要好，可以減少凝固時(shí)間2．2倍。國(guó)內(nèi)也有少量相關(guān)報(bào)導(dǎo)，如王裕民等實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)縱翅片套管相變蓄熱器的性能 ] 這些研究表明，采用翅片改變了儲(chǔ)熱器的儲(chǔ)熱和放熱方式，對(duì)相變材料的強(qiáng)化傳熱效果是非常明顯的。本文采用數(shù)值模擬方法研究?jī)?chǔ)熱器的形狀對(duì)傳熱的影響，通過(guò)計(jì)算不同長(zhǎng)
寬比的方形儲(chǔ)熱器中發(fā)生的相界面位置、壁面熱流、翅片溫度分布等，尋找合理的結(jié)構(gòu)，希望能為相關(guān)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 內(nèi)翅片板式儲(chǔ)熱器模型
2 儲(chǔ)熱器數(shù)值模擬結(jié)果及其分析
3 結(jié) 論
本文對(duì)具有翅片的板式石蠟儲(chǔ)熱器建立了相應(yīng)的計(jì)算傳熱模型，利用FLUENT軟件對(duì)其凝固過(guò)程進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，得到了儲(chǔ)熱器三種不同長(zhǎng)寬比時(shí)通過(guò)翅片和PCM 壁面的熱流隨時(shí)問(wèn)的變化規(guī)律、不同時(shí)刻的相界面形狀、相界面隨時(shí)間的變化規(guī)律以及總凝固時(shí)間的確定方法。分析對(duì)比后認(rèn)為板式儲(chǔ)熱器的長(zhǎng)寬尺寸對(duì)PCM 的凝固速度有很大的影響，而且長(zhǎng)寬比 決定了翅片是否能對(duì)其凝固過(guò)程起到強(qiáng)化作用。模擬結(jié)果表明，當(dāng) ≤l時(shí)傳熱沿 方向進(jìn)行，總凝固時(shí)間取決于 方向的凝固速度，翅片起不到強(qiáng)化傳熱作用；當(dāng) 一l時(shí)沿 方向和y方向的傳熱量基本相等；而當(dāng)硼≥l時(shí)翅片起到了很大的強(qiáng)化傳熱作用，傳熱主要沿y方向進(jìn)行，總凝固時(shí)問(wèn)取決于y方向的凝固速度。所以在設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱器時(shí)，為了充分利用翅片進(jìn)行強(qiáng)化傳熱，一定要注意使儲(chǔ)熱器的長(zhǎng)寬比 ≥l，否則翅片對(duì)傳熱強(qiáng)化所起的作用不大。

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