崔海亭，孫坤坤，李 寧

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

太陽能熱發(fā)電是利用聚光器將太陽輻射能聚集起來產(chǎn)生熱量，并通過換熱裝置提供高溫高壓蒸汽，驅(qū)動熱機(jī)發(fā)電，從而將太陽能轉(zhuǎn)換為電能［1］。但是由于太陽能是一種間歇性能源，既有晝夜之分，又受天氣變化的影響，為了保證熱發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，太陽能熱發(fā)電站通常采取蓄熱措施，在傍晚和云遮時(shí)依靠儲存的熱量來發(fā)電［2］。蓄熱系統(tǒng)是太陽能熱發(fā)電站中的重要組成部分，在電站運(yùn)行時(shí)起著容量緩沖、穩(wěn)定負(fù)荷和調(diào)節(jié)工況的作用［3］，其工作狀況直接影響到太陽能熱發(fā)電站的正常運(yùn)行，因此建立蓄熱系統(tǒng)的物理模型，并對其蓄放熱特性進(jìn)行研究，是提高太陽能熱利用效率的必要前提［4］。

目前國內(nèi)外的專家學(xué)者對影響蓄熱器蓄放熱性能的蓄熱材料以及蓄熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較多的研究［5-9］，但對蓄熱器結(jié)構(gòu)的研究主要集中在采用單級相變材料(phase changematerial，PCM)蓄熱的前提下進(jìn)行的蓄熱體的外形設(shè)計(jì)及蓄熱器整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上［10］，對PCM在蓄熱器內(nèi)的熔化情況對蓄熱性能的影響進(jìn)行的研究較少。本文通過對高溫相變蓄熱器的蓄熱過程進(jìn)行模擬，探討采用單級PCM時(shí)蓄熱器的蓄熱特性，總結(jié)PCM的液相率變化規(guī)律，提出了采用3種PCM級聯(lián)蓄熱的高溫相變蓄熱器的設(shè)計(jì)方案，并對其蓄熱性能做了模擬，為高溫相變蓄熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 蓄熱器結(jié)構(gòu)及其簡化

太陽能熱發(fā)電用高溫蓄熱換熱器主要由蓄熱室箱體、高溫相變蓄熱管和相變蓄熱材料組成，高溫相變蓄熱管采用陶瓷鋼鐵復(fù)合管，管內(nèi)封裝有相變蓄熱材料，多根規(guī)格相同的高溫相變蓄熱管成正方形排布［11］。

圖1為單級蓄熱時(shí)高溫蓄熱器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中蓄熱體的間距為230 mm，左下側(cè)為空氣進(jìn)口，右上側(cè)為空氣出口;圖2為級聯(lián)蓄熱時(shí)蓄熱體排布的示意圖。蓄熱室箱體長、寬、高分別為1 500 mm，1 200 mm和700 mm。為了使出口位置的流體得以充分發(fā)展，空氣的進(jìn)出口管道采用長100 mm，半徑60 mm的圓管;蓄熱體為30根高溫相變蓄熱管，內(nèi)部填充鋁硅合金系高溫相變材料，其半徑和高分別為90 mm和600 mm。

圖1 單級蓄熱時(shí)高溫蓄熱器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the high temperature energy storage container in single-stage heat storage

圖2 級聯(lián)蓄熱時(shí)蓄熱體排布的示意圖Fig.2 Diagram of the energy storage container configuration in cascade heat storage

為了方便利用 FLUENT軟件對蓄熱器的蓄熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，對蓄熱器的物理模型做如下假設(shè)［12-13］:

1)相變材料各向同性;

2)相變材料的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度為常數(shù)，不隨溫度發(fā)生改變;

3)忽略蓄熱器箱體外壁面的熱量損失及蓄熱體壁厚的影響;

4)滿足Bousssinesq假設(shè)，只在浮升力項(xiàng)中考慮流體密度的變化;

5)相變材料熔化后的流體為不可壓縮牛頓流體;

6)考慮自然對流的影響，自然對流為層流。

1.2 相變材料的選擇

本文所選用的相變材料為Al-Si系高溫相變材料，它具有熱物性穩(wěn)定，衰減慢，且在蓄放熱過程中溫度變化平穩(wěn)、體積變化不大等優(yōu)點(diǎn)，其物性參數(shù)如表1所示［14］。其中單級蓄熱時(shí)的蓄熱材料是PCM2，級聯(lián)蓄熱時(shí)采用PCM1/PCM2/PCM3級聯(lián)蓄熱。

表1 Al-Si合金系相變材料的物性參數(shù)Tab.1 Physical properties of Al-Si

1.3 蓄熱器的數(shù)值模擬

1.3.1 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

利用GAMBIT軟件建立蓄熱器的幾何模型，同時(shí)劃分網(wǎng)格。將GAMBIT中輸出的網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLUENT軟件中并檢查網(wǎng)格，選擇3D分離式非穩(wěn)態(tài)求解器，選擇solidification/melting模型模擬相變過程［15］。在邊界條件設(shè)置中，設(shè)置蓄放過程中空氣進(jìn)口速度為10 m/s，求解時(shí)采用SIMPLC算法并進(jìn)行全區(qū)域的初始化，初始溫度設(shè)置為300 K。為了得到PCM的溫度和液相率隨時(shí)間的變化規(guī)律，迭代前需要在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置監(jiān)視器，分別監(jiān)視PCM區(qū)溫度和液相率的變化情況。迭代時(shí)，時(shí)間步長的設(shè)置不能太大或太小，要保證在最大的迭代步數(shù)內(nèi)能夠穩(wěn)定收斂［16］。

1.3.2 蓄熱器的數(shù)值模擬

采用FLUENT中的熔化/凝固模型對采用單級PCM蓄熱的蓄熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬。利用其蓄熱體的溫度曲線來分析蓄熱過程中相變材料的溫度變化情況，同時(shí)利用蓄熱器中相變材料的液相率分布云圖了解液相率分布情況。并在相同的操作環(huán)境下，對3種PCM級聯(lián)蓄熱的蓄熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對比分析采用單級PCM蓄熱和3種PCM級聯(lián)蓄熱對蓄熱器蓄熱性能的影響。

2 模擬結(jié)果及其分析

2.1 單級蓄熱和級聯(lián)蓄熱下PCM的溫度及液相率隨時(shí)間的變化情況

圖3為單級蓄熱時(shí)PCM溫度隨時(shí)間的變化曲線，圖4為級聯(lián)蓄熱時(shí)PCM的溫度隨時(shí)間的變化曲線。通過對比兩圖可以看出，兩種情況下蓄熱過程中PCM的溫度變化趨勢是基本保持一致，即蓄熱初始時(shí)，相變區(qū)域升溫非常迅速，在相對比較短的時(shí)間內(nèi)溫度迅速上升達(dá)到相變溫度，這是因?yàn)樵谛顭衢_始時(shí)，相變區(qū)域的溫度低于PCM的相變溫度，此時(shí)處于顯熱蓄熱階段，熱空氣與蓄熱體溫差較大，所以傳熱迅速，升溫很快。此后由于PCM處于潛熱蓄熱階段，所以相變區(qū)域的溫度變化趨于平緩，維持在相變溫度，但由于單級蓄熱時(shí)靠近空氣入口處的PCM先完成熔化過程，再次進(jìn)入顯熱蓄熱階段，這就使單級蓄熱PCM的整體溫度更快地脫離了平穩(wěn)發(fā)展;隨著PCM的潛熱吸熱過程的完全結(jié)束，溫度也隨之開始快速升高，最后趨于平緩。

圖3 單級蓄熱時(shí)PCM熔化時(shí)的溫度曲線Fig.3 Temperature change of PCM area in melting process in single-stage heat storage

圖4 級聯(lián)蓄熱時(shí)PCM熔化時(shí)的溫度曲線Fig.4 Temperature change of PCM area in melting process in cascade heat storage

圖5為單級蓄熱時(shí)PCM液相率隨時(shí)間的變化曲線，圖6為級聯(lián)蓄熱時(shí)PCM的液相率隨時(shí)間的變化曲線。從兩圖中可以看出液相率基本上與時(shí)間成正比關(guān)系，但在熔化初始階段單級蓄熱時(shí)液相率產(chǎn)生于2 400 s，明顯早于級聯(lián)蓄熱時(shí)的2 820 s，之所以會出現(xiàn)這一情況，是因?yàn)榧壜?lián)蓄熱時(shí)靠近熱空氣進(jìn)口所用PCM1的相變溫度高于單級蓄熱所用PCM2，使之需要更長的時(shí)間來吸收顯熱，以達(dá)到相變溫度;隨著熔化的進(jìn)行，單級蓄熱時(shí)的熔化速率有明顯的先加快而后減慢的變化，這是因?yàn)樾顭狍w內(nèi)熱傳導(dǎo)換熱作用逐漸減弱，自然對流換熱作用相應(yīng)加強(qiáng)，加快了熔化速率，但是隨著熔化程度越來越高，內(nèi)外部溫差也越來越小，傳熱速率隨之變慢，而級聯(lián)蓄熱時(shí)由于PCM熔點(diǎn)的不同，使各蓄熱體的熔化速率基本保持一致;在熔化過程快要結(jié)束時(shí)，即單級蓄熱時(shí)液相率達(dá)到75%左右時(shí)的液相率曲線比級聯(lián)蓄熱時(shí)的液相率曲線變化更平緩，熔化速度相對較慢。這是由于相對級聯(lián)蓄熱的PCM3而言，單級蓄熱的PCM2的傳熱溫差的更小，導(dǎo)致傳熱過程存在的“死區(qū)”現(xiàn)象更嚴(yán)重，所以需要更長的時(shí)間來完成蓄熱，隨著蓄熱過程的持續(xù)，級聯(lián)蓄熱于18 200 s時(shí)率先結(jié)束熔化過程，而單級蓄熱則在21 400 s時(shí)完成熔化過程，因此采用級聯(lián)蓄熱的設(shè)計(jì)方案比單級蓄熱時(shí)的熔化總時(shí)間提高14.95%。

圖5 單級蓄熱時(shí)PCM熔化的液相率曲線Fig.5 Liquid fraction change of PCM area in melting process in single-stage heat storage

圖6 級聯(lián)蓄熱時(shí)PCM熔化的液相率曲線Fig.6 Liquid fraction change of PCM area inmelting process in cascade heat storage

2.2 單級蓄熱和級聯(lián)蓄熱下蓄熱體液相率的分布情況

圖7為單級蓄熱下PCM熔化30%時(shí)液相率的分布云圖，圖8為單級蓄熱下PCM熔化80%時(shí)液相率的分布云圖，圖9為級聯(lián)蓄熱下PCM熔化30%時(shí)液相率的分布云圖，圖10為級聯(lián)蓄熱下PCM熔化80%時(shí)液相率的分布云圖。從圖7和圖8可以看出單級蓄熱時(shí)，熔化過程中液相率呈簡單的層級分布，即靠近空氣入口處的PCM先熔化，然后一層層的逐步熔化，而且隨著熔化的進(jìn)行，這種現(xiàn)象將越來越明顯。這與傳熱流體的溫度分布密切相關(guān)，因?yàn)闊峥諝庠诮肟谔幍臏囟茸兓淮?，這就使進(jìn)入口處PCM的熔化溫差基本相同;但隨著熱空氣的流動，熱量的不斷傳導(dǎo)，使得熱空氣溫度沿水平方向逐漸降低，這就讓近入口處PCM的熔化速率快于沿水平方向排布的PCM的熔化速率，因此層級結(jié)構(gòu)越來越明顯;但是通過對相同液相率下，級聯(lián)蓄熱時(shí)PCM液相率分布云圖的比較，可以看出相變材料采用級聯(lián)蓄熱時(shí)的蓄熱器在熔化過程中液相率分布更均勻，并有效地改善了熔化過程中相變材料液相率的層級分布，降低了“死區(qū)”對蓄熱器蓄熱性能的影響。

圖7 單級蓄熱下PCM熔化30%時(shí)液相率的分布云圖Fig.7 Distribution nephogram of rate of liquid phase when the PCM melts for 30%in single-stage heat storage

圖8 單級蓄熱下PCM熔化80%時(shí)液相率的分布云圖Fig.8 Distribution nephogram of rate of liquid phase when the PCM melts for 80%in single-stage heat storage

圖9 級聯(lián)蓄熱下PCM熔化30%時(shí)液相率的分布云圖Fig.9 Distribution nephogram of rate of liquid phase when the PCM melts for 30%in cascade heat storage

圖10 級聯(lián)蓄熱下PCM熔化80%時(shí)液相率的分布云圖Fig.10 Distribution nephogram of rate of liquid phase when the PCM melts for 80%in cascade heat storage

3 結(jié)語

本文介紹了運(yùn)用FLUENT凝固/熔化模型求解相變問題的參數(shù)設(shè)置情況，并利用FLUENT軟件對太陽能熱發(fā)電用高溫相變蓄熱器的蓄熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出相變材料總的熔化時(shí)間和溫度及液相率隨時(shí)間的變化規(guī)律，并通過相同液相率下單級蓄熱和級聯(lián)蓄熱時(shí)的液相率分布云圖，了解了熔化過程中液相率的分布情況，從而確定了太陽能熱發(fā)電用高溫相變蓄熱器的優(yōu)化方案，為該型蓄熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其應(yīng)用提供了一定依據(jù)。

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