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相变式蓄热（换热）器强化传热方法的研究

杨 嵩（150437）

（东南大学 能源与环境学院，江苏省南京市，210000）

摘要：本文主要对近些年以来在相变式蓄热（换热）器强化传热方面的部分研究成果进行简要介绍。在参考相关10多篇文献的基础下，作者针对性的选取了其中5篇进行综述，分别从蓄热（换热）器强化换热设计、表面强化结构、相变工质优化蓄热三个方面对相变式蓄热器的强化传热机理和效果进行了介绍。使用的方法主要涉及：建模推导公式、数值分析、实验对比等。

关键词：蓄热器；强化传热；相变—液浴；非共晶相变；相变材料；换热工质

0 引言：

长期以来，我国的经济增长都是依靠消耗大量的不可再生能源实现的，对于煤炭、天然气、石油以及其他化石能源的消耗均位于世界前列。据国家统计局公布的数据，2014年我国的能源消耗总量达到了42.6亿吨标准煤，其中煤炭占比66.0%，石油占比17.1%，天然气占比6.2%，其他新型能源只占到10.7%。与此同时，我国又是一个传统能源人均占有量极低的国家，能源紧缺、环境污染尤其是大气污染等问题日益凸显，严重制约着我国施行的可持续发展战略。如何提高能源利用率，有效节约资源，等，逐渐成为社会各界关注的焦点，大量学者正致力于这一方向的研究。相变式蓄热（换热）器作为一种新型的储能装置，主要应用于废热和余热的储存和利用，已越来越广泛的使用在生产生活中，其运行机理简单，即利用相变材料( PCM: phase change material) 的固液相变过程来完成能量的存储和释放。其优点是容积小, 蓄热密度大, 恒温放（吸）热。根据不同的实际应用，相变式蓄热器的种类众多，但是强化传热的措施大致为：1、针对相变工质的强化传热。2、蓄热（换热）器强化传热结构的设计。3、表面结构和各种肋结构，等。本文将结合计算、模拟及实验对以上几点强化方案进行具体分析。

1 几种基于结构设计的强化方案

1.1 列管式相变蓄热器

考虑到列管式换热器具有传热面积大、结构紧凑、操作弹性大等优点，可以有效弥补相变式蓄热中相变工质导热率低、储能、释能速率低等弱点。有人将它作为一种强化传热的设计方案提出，并做出了相关工作，其中包括：对采用内肋片强化换热的列管式相变蓄热器的储热过程进行数值模拟，研究了列管的排列方式以及PCM 导热系数对蓄热器储热速率的影响，为列管式相变蓄热器的设计及性能优化提供依据。[1]

1.1.1 物理和数学模型

以正三角形叉排排列的列管式相变蓄热器为物理模型（图1），热空气从左端入口，通

图 1

过均流孔板后流经封装PCM 各单管管列，与PCM 进行热量交换，经换热后从右端流出。设计各单管管径为46 mm，管壁厚2 mm；一般认为管间距与管径比值（中心距）在

1.25 以上为宜，取管间距为64 mm，比值为1.28。

基于叉排列管的对称性化，取模型中一个单元区域进行计算和模拟。蓄热器简化模拟模

表 1

型如图2 所示，所用PCM及HTF 的物性参数见表1。

其中的能量方程可以将对流项省略，不考虑内热源，简化得到：

，其中：

图2

PCM 熔化过程采用焓-孔隙率模型，此模型用液相率（β）来描述PCM 的物态。即当β=1时，PCM为液态，β=0时，PCM 为固态，而当0<β<1时，PCM处于相变状态。焓-孔隙率模型假设液相率等于孔隙率，其计算方式如式(1)所示

式中，H 为 PCM 的总焓值，kJ/kg；href 为参考温度下的焓值，kJ/kg；ρ 为PCM 的密度，kg/m3；Tref 为参考温度，K；Cp为定压比热容，J·/(kg·K)；λ 为导热系数，W/(m·K)；L 为相变潜热，kJ/kg；T为任意时刻温度，K；TS为 PCM 凝固温度，K；TL为 PCM 熔化温度，K；SE为能量方式源项；SK 为动量方程源项。

连续性方程：

该项中的ε

为一个很小的常数，取值为0.0001，

避免分母等于零；Amush 为模糊区常数， 反映相变前沿形态，常取值为104~107；vp???动量方程：

能量方程：

为随着熔化进行固相脱离模糊区的牵引速度。该源项为表述由于固相材料的存在而产 生的压降。

1.1.2 数值模拟结果分析及结论

图3 所示为特定流体工况条件下（雷诺构更紧凑，对流体的扰动和被流体冲刷的程 数Re=4871、史蒂芬数Ste=0.331 ）的流线图，我们可以看到在低雷诺数的工况条件下，列管式蓄热器内HTF与PCM的换热存在以下特点：一是管束前段冲刷充分，换热系数较高，具有良好的换热效果。从图4中可以看出前段前部温度较高；管束后段由于流动进入负压力梯度阶段，使得分离点后边界层从管束壁面脱离，尽管此区域仍存在马蹄形漩图6 涡系，但是在一般流速下对传热的强化影响

图3

甚微，因此传热效果减弱。图4中可以看到 管子后部的温度较低。

图4

度更剧烈。这两种结构对于储热换热性能则影响不大。

1.1.4 内置肋片对储热换热性能的影响

如图5中设计三种不同内置肋片的管子， 然后分析运行同一时段后的换热效果，根据图6可以清晰的看出具有十字结构的2肋片结构换热效果最佳，其次是1肋片结构，最差是无肋片光管。实验得出使用最后一种十字肋片结构可以使得PCM完全熔化时间缩短52.6%，因而强化传热效果明显。

1.1.5 PCM导热系数对传热性能的影响

根据实验得出，PCM导热系数对相变过程的影响很大，体现在导热系数大，熔化时间越短，特别是当PCM导热系数小于1.0 W/(m?

K) 时，该参数对蓄热器的换热效果作

图5 Nfn=0 Nfn=1 Nfn=2

1.1.3 列管的排列方式对储热性能的影响

通过实验可以得出正三角形排管PCM熔化时间要比正方形排管少，也就是说在其他条件相同的情况下，前者的储热速率更快。这主要是因为与正方形相比正三角形的结

用最为明显。

1.2相变-液浴式换热器的设计原理及性能分析[2]

1 、常压相变- 液浴式换热器的工作原理