套管型相变蓄热装置蓄热过程动态模拟

　　符 号

　　ρ—密度,kg/m³

　　T—温度,K

　　h—比焓,J/kg

　　t—时间,s

　　r—半径,m

　　k—导热系数,W/(m.K)

　　L—相变潜热,kJ/kg

　　q—热流密度,W/m²

　　s—积分面积

　　C—比热容,kJ/(kg.K)

　　T_m—相变温度,K

　　H—总焓,J

　　下 标

　　p—相变材料

　　p, l—相变材料液态

　　p, s—相变材料固态

　　1 前言

　　蓄能技术不仅能“移峰填谷”,缓解或部分解决由于空调、制冷负荷所产生的电力负荷失衡问题,而且可以减少制冷主机装机容量和功率以及附属运转设备和电力设施的容量或功率,同时减小设备、配管尺寸,提高设备利用率和运行效率,还可作为应急冷/热源,已得到越来越多的关注。相变蓄能由于蓄能密度大、温度恒定,在国内外得到广泛的研究与应用,尤其在能源供给与需求不协调及能源供给不连续的情况下,应用得尤其广泛。

　　近年来,国内外研究者对相变蓄能材料及其应用已进行了广泛的研究,主要集中在两方面:一方面是对相变材料的研究^[1],主要是对新型相变材料的开发与研究和完善相变材料的传热及过冷问题^{[2, 3]},以及对相变材料熔化/凝固时的热阻变化情况,雷诺数、斯蒂芬数对换热效果的影响^[4];另一方面是对蓄能/释能过程的研究,主要研究集中在蓄能/释能过程中,换热系数随时间的变化情况,以及与相变材料进行传热的流体出入口温度、质量流量、蓄能装置尺寸对蓄能/释能量的影响^[5~10]_,主要采用制冷剂与水换热,然后水与PCM换热的蓄能方式,研究了各参数变化对蓄能/释能量的影响,而没有对蓄能/释能过程进行深入的研究,本文提出了一种相变蓄热材料与制冷剂进行换热的套管模型,通过模拟,得出蓄能过程中热流密度、温度、液体比的变化规律,其中蓄能过程中制冷剂和PCM间的热流密度变化规律对系统制冷剂流量及系统的调节和控制具有一定的指导意义。

　　2 传热模型

　　研究的套管型相变蓄热装置用在热泵系统的冷凝器内,相变蓄能材料与制冷剂换热,在电力低谷期把热量储存起来,用电高峰期再释放热量,为了实现蓄热/取热及蒸发装置的一体化,采用图1所示的蓄热/取热装置。

　　图中蓄热/取热换热器中储热过程在螺旋状盘旋的套管中进行,取热在套管与水之间进行。套管中内管流制冷剂,外管中装相变材料。加热热水时,蓄热/取热换热器先对水进行初步加热,然后水与制冷机管直接接触进行再加热。以普通四口之家日所需热水320L,将水从15°C加热到60°C需能58520kJ,晚间蓄热30000kJ计算,同时考虑蓄能装置占地面积,取蓄热套管的物理尺寸为内管12mmx1mm(内径12mm,紫铜管壁厚1mm),外管为50mmx1.5mm,所用的相变材料为月桂酸,该套管型蓄热装置的单位体积蓄能密度为1.603x105kJ/m³。所使用月桂酸的物性参数如表1所示。