板式石蠟儲熱器傳熱的數值模擬
郭茶秀 ．張務軍。．魏新利 ．王定標(1．鄭州大學化工學院450002；2．河南省天泰礦冶安全咨詢公司45OOO3)
摘 要：在相變儲熱器中采用強化傳熱技術，克服相變材料的低導熱性能，是目前國內外研究的熱點。應用FLUENT軟件數值模擬了翅片強化板式石蠟儲熱器的凝固傳熱過程，得到隨時間變化的相界面位置、總凝固時間、壁面熱流、翅片溫度分布等，并進一步分析了翅片對不同長寬比W的儲熱器的強化傳熱效果。模擬結果表明，只有當叫≥1時，翅片才能對儲熱器起到明顯的強化傳熱作用，研究結果可為相變儲熱器的優化設計提供可靠的依據。
關鍵詞：相變材料,傳熱,數值模擬,板式儲熱器
中圈分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：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
相變儲熱器利用相變材料(PCM，phase change materia1)的固液相變過程來完成熱能的存儲和釋放，具有體積小、儲熱密度大和恒溫放熱等優點，在空間太陽能熱動力發電系統、建筑物砌體充填、熱泵干燥機組和空調機組供暖等方面有著廣泛的應用前景。在眾多的相變材料中，石蠟以潛熱大、化學性能穩定、價格便宜等優點已應用在室溫蓄熱、熔鹽發電和太陽能等方面。但石蠟導熱性能差(導熱系數為0．1～O．2W／(m ·K)，在凝固過程中，隨著相變材料的固一液界面離開傳熱面，由于凝固層不斷地增厚傳熱阻力大大增加、凝固速度越來越小，因此必須采用強化傳熱技術才能達到預期效果。目前已有的強化傳熱技術n 主要有采用攪拌器／振動器、使用微膠囊相變材料、使用PCM-石墨復合材料以及應用擴展表面(如翅片和蜂窩結構)等。其中在儲熱器中使用擴展表面的強化傳熱技術效果顯著、結構簡單，因而受到關注，國外的相關報導也比較多[2 ]。如Velraj等[2 實驗和數值研究表明垂直翅片管中相變材料的凝固時間是光管的1／n( 為翅片的個數)；
BugajeE 實驗研究了鋁翅片管和星狀結構兩種相變儲熱器的強化效果，結果表明，鋁翅片管的性能比星狀結構的要好，可以減少凝固時間2．2倍。國內也有少量相關報導，如王裕民等實驗研究內縱翅片套管相變蓄熱器的性能 ] 這些研究表明，采用翅片改變了儲熱器的儲熱和放熱方式，對相變材料的強化傳熱效果是非常明顯的。本文采用數值模擬方法研究儲熱器的形狀對傳熱的影響，通過計算不同長
寬比的方形儲熱器中發生的相界面位置、壁面熱流、翅片溫度分布等，尋找合理的結構，希望能為相關的設計提供參考。
1 內翅片板式儲熱器模型
2 儲熱器數值模擬結果及其分析
3 結 論
本文對具有翅片的板式石蠟儲熱器建立了相應的計算傳熱模型，利用FLUENT軟件對其凝固過程進行了二維數值模擬，得到了儲熱器三種不同長寬比時通過翅片和PCM 壁面的熱流隨時問的變化規律、不同時刻的相界面形狀、相界面隨時間的變化規律以及總凝固時間的確定方法。分析對比后認為板式儲熱器的長寬尺寸對PCM 的凝固速度有很大的影響，而且長寬比 決定了翅片是否能對其凝固過程起到強化作用。模擬結果表明，當 ≤l時傳熱沿 方向進行，總凝固時間取決于 方向的凝固速度，翅片起不到強化傳熱作用；當 一l時沿 方向和y方向的傳熱量基本相等；而當硼≥l時翅片起到了很大的強化傳熱作用，傳熱主要沿y方向進行，總凝固時問取決于y方向的凝固速度。所以在設計儲熱器時，為了充分利用翅片進行強化傳熱，一定要注意使儲熱器的長寬比 ≥l，否則翅片對傳熱強化所起的作用不大。
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