多管相变蓄热换热器模拟及优化

多管相变蓄热换热器模拟及优化

许玲1，王英志1，周艳2

（1.青岛市市政工程设计研究院有限责任公司，山东 青岛 266061；2.青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266100）

摘要:相变蓄热换热器作为一种蓄热系统，能降低能耗，在节能减排方面发挥着重要作用。如何提高传热效率，将能耗降到最低是目前换热器节能领域面临的重要问题。本文将在改善相变材料热物性基础上，采用数值模拟研究换热器结构对填充石蜡/石墨烯复合相变材料蓄热换热器的性能影响，从而为蓄热型换热器在建筑节能等方面应用提供一定理论支撑。

关键词：石蜡/石墨烯复合相变材料；多内管蓄热换热器；建筑节能；蓄放热  

引言       

在我国，建筑能耗占到了总能耗30%，建筑能耗中采暖和空调用电能耗占到建筑能耗30%~50%，且随着住房增加，建筑能耗在不断增长[1]。如果我国建筑能耗问题不解决，将会导致一系列问题，限制经济发展。换热器作为重要的工业设备，在热水器、采暖及生活蓄热装置中也发挥着重要作用[2]。

一、数值模拟

（一）物理模型

采用Flunet进行模拟，建立如图 1所示物理模型，套管长度1000 mm，外管直径100 mm，壁厚2 mm。夹层中填充相变材料，内管内通水。热水流过内管，相变材料吸热熔化；冷水流过内管，相变材料放热凝固。不同模型外管相同，内管总体积、相变材料体积相同。1、2、3、4内管管径分别为30、21、17、15 mm，2、3、4内管管心距为35、38、40mm。

图1.多管式换热器模型

为提高相变材料导热性，将质量分数1.5%石墨烯加到石蜡中[3]，见表1。

表1  1.5%石墨烯/石蜡复合相变材料热物性参数

（二） 数学模型

本文采用焓法模型，通过求解焓值分布得出相变区域温度分布，其控制方程如下[5]：

能量方程：   （1）

动量方程：    （2）

连续方程：       （3）

式中，H—焓值，kJ/kg；v—速度，m/s；T—温度，K；Sh—能量方程源项；S—动量方程源项。

（三）边界条件

外管壁面绝热，忽略热损失；忽略所有壁面厚度以及界面热阻，内管壁面与相变区为耦合界面；熔化后为层流，考虑重力影响。管内水流入口边界速度入口流速为0.4m/s，蓄热时入口温度设为343 K，放热时水流入口温度设为300K。

二、模拟结果分析

（一）蓄热过程

图2是套管内设置4种数量内管后，蓄热过程相变材料液相分数图。

图2熔化过程液相分数图

5min之前，相变材料熔化扩散面与内管几乎同心，传热主导方式是热传导。40min后，熔融态相变材料自然对流增强；重力作用下固液界面扇形扩散，套管上下的密度差促进了熔融相变材料内部自然对流，套管上部加速熔化。内管数目越多，现象越明显。40min时，超一半固体相变材料变成液体。糊状区域变宽，固液界面到达流体域下端。

（二）放热过程

图3是套管内设置4种数量内管后，放热过程相变材料液相分数图。

图3凝固过程液体分数图

可见，凝固初期相变材料导热系数较小，在换热管与未凝固相变材料之间形成热阻很大的导热层。随着过程进行，凉水管周围固态相变材料增多，热阻变大，降低了凝固速率；重力作用下，凝固过程固液界面呈倒扇形。多内管换热器内相变材料的凝固速率远高于单内管；相变材料完全凝固比完全熔化时间长得多。

结语

熔化过程相变材料与热流体之间传热以自然对流换热为主，且处于换热器上部的相变材料先熔化；凝固过程固态与熔融态相变材料之间在重力及自然浮升力作用下进行自然对流换热，因此冷源与熔融态之间传热热阻较大，完全凝固比完全熔化过程所需时间要长，处于换热器下部相变材料先凝固；多内管换热器内相变材料熔化、凝固速率远高于单内管。

参考文献

[1]清华大学建筑节能研究中心. 中国建筑节能年度发展研究报告[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2013.

[2]谢芳. 相变建筑材料在建筑节能中的应用研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2010.

[3]张兵, 武卫东, 常海洲. 相变蓄热材料在节能建筑领域的应用与研究进展[J].化工新型材料, 2019, 9: 567-573.

[4]关标, 冯永保, 彭青松,等. 基于Fluent的相变储能材料蓄放热过程的仿真分析[J].节能, 2019, 10: 57-60.

[5] 徐明. 相变蓄热换热器的数值模拟及优化设计[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2015.