浅论基于复合相变材料储热单元的储热特性

　　储热技术，特别是相变储热技术是合理有效利用现有能源、优化使用可再生能源和提高能源利用效率的重要技术。相变储热技术利用材料的相变潜热来实现能量的储存和利用，是缓解能量供求双方在时间、强度及地点上不匹配的有效方式。为了使相变储热技术得到更进一步的发展，需要克服包括从储热材料到储热系统等的一系列问题。对于储热材料，需要克服其热导率低和与封装材料不可兼容等缺点;对于储热单元和储热系统，需要克服界面热阻高、使用寿命周期短和储/放热速率不可控等缺点。
　　1数学模型
　　1.1物理模型
　　复合材料被制备成实心圆柱体和空心圆柱体两种形状分别放置于单管单元体和同心管单元体中。为了对比研究两种单元体的储热性能，保持置放于单元体中的复合材料体积一致。对于单管储热单元，复合材料直径为60mm，厚度为15mm。单元筒体长度为300mm，筒体外径为68mm，壁厚为3mm;对于同心管储热单元，复合材料外径为62mm，内径为15.6mm，单元体外管直径为70mm，内管直径为7.6mm，壁厚为3mm，筒体长度同为300mm。
　　1.2数学模型
　　1.2.1复合材料和传热流体的控制方程
　　由于复合材料在热能的存储过程中，超微多孔通道产生的毛细张力能保持熔盐在陶瓷基体内不流出，能保持材料整体结构的稳定性。在复合材料的制备过程中，陶瓷基体被烧结形成致密的多孔介质，熔盐和热导率提高材料填充在其产生的空隙中。因此，对于这种复合材料内部的传热过程，可以认为是一种微孔介质中的传热。但是这种多微孔介质内部的传热是一种十分复杂的物理过程，往往伴随有颗粒间的热传导、微孔间的自然对流及热辐射。然而，由于微孔所占材料体积比较小，在本文的计算中，发生在微孔里面的自然对流和热辐射可以忽略，仅仅只考虑颗粒间的热传导，因此，复合材料和传热流体区域可以简化成二维模型进行计算。同时为了进一步简化数值模型，对模型也做如下假设：①相变熔盐只有一个熔点;②传热流体的热物理参数为常数且被认为是牛顿流体;③传热流体的入口速度和入口温度均匀且为常数;④储热单元体内复合材料模块间存在很薄的空气层，并以此来计算其间的接触热阻。
　　1.2.2边界条件和初始条件
　　本文选取制备复合材料的原材料及单元体封装材料的物性参数。计算过程中，进口采用速度进口边界条件，出口采用自由流出口边界条件(压力梯度为0);吸热过程中，入口传热流体温度固定为873K，复合材料初始温度为473K;放热过程中，入口传热流体温度固定为473K，复合材料初始温度为873K。除既定设置壁面外，其余外壁采用绝热壁边界条件。
　　2实验验证和实验过程
　　为了验证数学模型的正确性，本文以单管储热单元为实验对象搭建了实验平台来进行验证。实验装置由3部分组成，即加热炉、单管储热单元和数据采集系统。不锈钢加热炉的内径为0.22m，长度为1.4m，外壁包裹着绝热材料。装满复合储能材料的单管储能单元体放置于炉子中心。空气作为传热流体被燃气加热后通过进气管进入炉腔，其流量通过入口的流量计来控制。空气的入口温度及单管储热单元体内的温度测量采用K型铠装热电偶。吸热过程中，空气的入口流量保持为30.1Nm3/h;放热过程中，空气的流量保持为28.5Nm3/h。对于吸热过程，当炉中所有热电偶所测温度与传热流体温度一致时，视为储热单元体吸热完成;同样对放热过程，当所有热电偶测的温度与流体温度一致时，视为储热单元体放热完成。
　　3数值模拟结果与分析
　　3.1模拟结果和实验结果比较
　　可以看出，实验结果和模拟结果比较吻合。对于储热过程，储热单元里的温度变化经历3个阶段。第一阶段为显热储热阶段，温度快速上升达到相变温度;第二阶段为相变储热阶段，此时相变发生，温度保持在相变材料的相变温度;第三阶段为显热储热阶段，温度相变温度上升达到传热流体的温度。可以看出，复合材料在2700s时开始相变，整个相变过程持续时间约为2000s。同样地，对于放热过程，储热单元里温度也经历3个过程。放热开始时，温度快速下降直至相变点，然后保持到相变开始，此时复合材料中的相变材料由液态变为固态。之后温度继续下降到与传热流体一致。同时从图中还可以看出，对于测点T1和T2，不管是储热过程还是放热过程，两点温度变化曲线比较接近。这是因为添加了热导率提高材料，复合材料热导率比较高，所以其储热和放热过程比较快。这也验证了之前的假设是可行的，复合材料中的传热主要以导热为主，发生在微孔里面的自然对流和热辐射可以忽略。由于在实验过程中，对于储热单元体，石墨颗粒用于填塞复合材料与管壁之间的缝隙，因此其真实热导率是要大于模拟计算值的，这也是实验结果中储、放热过程要快于模拟结果的原因。实验和模拟结果的对比说明了本文的计算模型能用于复合材料和储热单元体内传热特性的计算。
　　3.2复合材料物理属性的影响
　　在复合材料的制备过程中，不同比例的原材料混合制备出的复合材料热物性也不尽相同。所以本节以单管储热单元体为对象，研究不同热物性复合材料对单元体储热性能的影响。对于配比方案1，相变材料的质量比保持在50%，陶瓷材料的质量比为30% 45%，对应的热导率提高材料质量比为20% 5%;配比方案2中，相变材料和陶瓷材料的质量比保持为1 1，热导率提高材料质量比变化范围为5% 20%;配比方案3中，陶瓷材料的质量比保持为50%，改变相变材料和热导率提高材料的质量比。
　　3.3传热流体流速的影响
　　外界操作条件(传热流体温度、速度)对单元体储热性能的影响规律是单元体和储热系统优化设计的关键。为此，本节在前两节的基础上，对传热流体流速对单元体储、放热性能的影响规律进行了研究。流速研究范围选定为0.1 8m/s，对应的雷诺数[HTFinReUD()]范围为72.5 5800。可以看出，单管储热单元体的储、放热时间都随着流速的增加而减少。当流体流速从0.2m/s增大到8m/s时，单元体储、放热时间分别减少3.8倍和3.83倍，分别由28500s降到7500s，由23000s降到6000s。这是因为，流体流速的增加，流体与单元体之间的传热系数随之增大，两者之间的传热速率也随之增大。所以当传热流体流动状态为湍流时，单元体储、放热时间要远小于传热流体为层流状态时。但是应当注意，当流体流动状态为层流时(流速为0.1 1m/s)，对单元体储热性能的影响很小。同时，随着流体流速的进一步增大，其对单元体储热性能的影响趋势随之减弱。这是因为，当传热流体为层流状态时，或流速增大到一定范围时，影响单元体储热性能的因素由传热流体与储热单元体间自然对流的影响转换为单元体内部热阻的影响。
　　4结论
　　(1)复合材料的物理参数对储能单元体的储能性能有较大的影响。单元体总的储能时间随复合材料里石墨含量的增加而减小;在复合材料模块直径不变的前提下，模块厚度越大，单元体的储、放热性能越好。
　　(2)传热流体速率对储能单元体的储能性能有较大的影响。单元体的储、放热时间都随传热流速的增大而减少。但是，当流体流动状态为层流时，对单元体储热性能的影响很小。同时，随着流体流速的进一步增大，其对单元体储热性能的影响趋势随之减弱。这是因为，当传热流体为层流状态时，或流速增大到一定范围时，影响单元体储热性能的因素由传热流体与储热单元体间对流换热的影响转换为单元体内部热阻的影响。
　　(3)相比于单管储能单元体，同心管储能单元体的储、放热性能更佳。在相同的操作条件下，当流体雷诺数从1875增大到7500时，同心圆管单元体的储热时间分别减少7%和10%，放热时间则分别减少10%和15%。