FLuent-换热器的相变模拟计算

fluent计算理想气体换热
流体力学是研究流体流动与相应力学问题的学科，它有广泛的应用，其中之一便是能源传递过程中的换热过程。

理想气体进行换热时，我们可以使用流体力学的数学工具——Fluent软件，来模拟气体在不
同条件下的流动和温度变化情况。

在Fluent软件中，我们可以设置一定的边界条件和模型参数，
如管道的尺寸、气体的压力和温度等。

通过对这些参数进行调整，我
们可以模拟出理想气体在不同情况下的流动速度、温度分布以及热量
传递等现象。

如果我们想要研究一个具体的问题，比如说在一个管道中将高温
气体传递给低温气体，并使二者达到热平衡状态，我们需要建立一个
模型来模拟这个过程。

首先，我们需要假设管道中的气体为理想气体，并设置管道的几何参数和气体的初始状态。

接着，我们可以在管道的
两端设置边界条件，使高温气体从一端进入管道，低温气体从另一端
进入管道，并在管道内部设置传热模型，以模拟气体在管道内部的热
传递过程。

最终，我们可以通过对模拟结果的分析，得出管道内气体
的温度分布和热平衡状态。

总之，在Fluent中使用流体力学的数学工具，可以有效地模拟
理想气体的换热过程。

通过调整不同的参数，我们可以探索气体在不
同情况下的流动和温度变化，为研究和优化能源传递过程提供有力的
工具和方法。

基于FLUENT的管壳式换热器数值模拟分析王文松; 刘霜【期刊名称】《《管道技术与设备》》【年(卷),期】2019(000)006【总页数】3页(P30-31,55)【关键词】管壳式换热器; FLUENT; 流场分析; 仿真模拟【作者】王文松; 刘霜【作者单位】成都理工大学工程技术学院四川乐山 614000【正文语种】中文【中图分类】TE80 引言换热器是一种广泛应用于化工、动力等行业的工业设备。

换热器能合理地调节工艺介质温度满足工艺流程的需求，也是余热、废热回收利用的有效装置[1]。

对管壳式换热器进行数值模拟分析，能有效提高换热器效率，对能源的高效利用十分重要。

随着近年来计算机和计算流体力学(CFD)的发展，CFD在研发和设计的各个阶段，具有费用低、速度快、能重复模拟分析复杂工况的优点[2]。

本文运用数值模拟的方法，对换热器进行三维建模和有限元分析，分析出了换热器内部温度场、速度场等变化关系。

1 换热器模型的建立1.1 控制方程研究对象为内部流体流动和传热过程，满足文献[3]中三类控制方程：质量守恒方程(连续性方程)、动量守恒方程和能量守恒方程。

1.2 换热器参数及计算工况本文中采用的换热器类型为壳管式换热器，为单壳程、单管程、单弓形折流板，换热器的长度为1 630 mm，壳体为Φ273×8 mm，换热管数40根，采用正三角形排列。

计算工质为热水和空气。

1.3 边界条件湍流效应对传热过程与流体流动有一定的影响，因此采用标准k-ε方程模型。

Pressure Based隐式(Implicit)求解，压力和速度解耦选用SIMPLE算法,采用二阶迎风格式,稳态不可压缩求解。

设置边界条件[4]，进口流速为1 m/s，进口温度为298 K，壁面温度为378 K。

1.4 Gambit模型建立及网格划分应用Gambit建立模型和划分网格，网格划分优先使用六面体网格，不规则形状四面体网格。

六面体网格质量好，且收敛速度快，四面体网格适应能力强，能够较好地填充复杂的几何形状[5]。

第37卷,总第214期2019年3月,第2期《节能技术》ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYVol.37,Sum.No.214Mar.2019,No.2　基于Fluent的相变储能换热器回路仿真分析贾卓杭,郭　亮,张旭升(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林　长春　130033)摘　要:研究了一种相变储能换热器。

基于流体仿真软件,对其换热过程中的整个回路进行了建模分析。

主要研究了相变材料液相分数及关键位置温度随时间变化的特性,并对比了不同相变材料导热系数及流体回路质量流速对控温特性的影响。

研究发现,熔化工况时,导热系数的提高可以加速相变材料熔化速率,同时有效改善相变换热器的运行温度水平及稳定性;而流速的提高可以降低运行温度但同时会降低稳定性。

凝固工况时,导热系数和流速的提高均有利于加速相变材料凝固。

采用该种回路仿真分析方法可为储能换热器的设计和优化提供指导。

关键词:相变材料;储能;换热器;导热系数;质量流速;回路仿真中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2019)02-0126-04 Simulation Analysis of Phase Change Thermal Storage ExchangerLoop based on FluentJIA Zhuo-hang,GUO Liang,ZHANG Xu-sheng(Changchun Institute of optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun130033,China)Abstract:In this paper,a phase change energy storage heat exchanger was researched.The whole loop in the heat transfer process was analyzed based on fluid simulation software.Primary studies on the state of phase change materials melting/solidification and the temperature variation characteristics of critical posi⁃tion over time were taken,as well as the influence on temperature control properties of different phase change materials thermal conductivity and fluid loop mass velocity was compared.It is found that the in⁃crease of thermal conductivity can accelerate the melting rate of phase change material,lower the operat⁃ing temperature and improve temperature stability of the phase change heat exchanger.The increase in velocity can reduce the operating temperature but also the stability.The increase of thermal conductivity and flow velocity both can accelerate the solidification of phase change materials.The method of whole loop simulation can be taken as a guidance for the design and optimization of energy storage heat exchanger.Key words:phase change material;energy storage;heat exchanger;thermal conductivity;mass veloci⁃ty;loop simulation收稿日期　2018-11-06 修订稿日期　2018-12-11基金项目:国家自然科学基金资助项目(61605203);中国科学院青年促进会资助项目(Y56039Y150)作者简介:贾卓杭(1992~),男,硕士,研究实习员,主要研究方向为航天器热控及相变传热技术。

fluent heat exchange热交换模型介绍
"Fluent" 是一种计算流体力学（CFD）软件，而"heat exchange" 则指的是热交换，即在流体中传递热量的过程。

在Fluent 中，可以使用不同的模型和方法来模拟和分析流体中的热交换过程。

热交换模型在Fluent 中涉及到流体流动、传热和传质等多个方面。

以下是一些常见的Fluent 中用于热交换模拟的模型和方法：
1.传热模型：Fluent 提供了多种传热模型，包括传导、对流和辐射传热。

用户可以选择
适当的传热模型，根据系统的特点来模拟热量的传递。

2.壁面热通量：可以在Fluent 中设置不同表面的壁面热通量，以模拟具体区域的热交
换情况。

这对于热交换器、散热器等设备的仿真很重要。

3.热源和热汇：用户可以设置热源和热汇，模拟系统中的加热或散热过程。

这对于热交
换系统的设计和优化非常有用。

4.多相流和相变：在一些热交换系统中，可能涉及到多相流动和相变过程，如蒸发、冷
凝等。

Fluent 支持多相流和相变模型，以更全面地模拟系统中的热交换。

5.换热器模块：Fluent 中有专门的换热器模块，用于更方便地建模和分析换热器的性能，
包括壁面传热系数、温度分布等。

使用Fluent 进行热交换模拟需要用户详细了解系统的几何形状、边界条件、材料属性等信息，并选择合适的模型和参数。

通过模拟，用户可以获得系统内部的流动、温度场等信息，帮助设计和优化热交换设备。

三维换热器的F L U E N T模拟集团文件发布号：（9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-FLUENT软件模拟管壳式换热器壳程三维流场我要打印 IE收藏放入公文包我要留言查看留言摘要:基于各向异性多孔介质与分布阻力模型、修正k-ε模型和壁面函数法,对普通管壳式换热器壳程流体的流动与传热,利用FLUENT软件进行了三维数值模拟。

计算了不同流体初速下,管壳式换热器壳程的速度场、温度场和压力场,计算结果与实际情况相符,得到了有参考价值的结论。

关键词:管壳式换热器数值模拟FLUENT 多孔介质分布阻力模型数值模拟是换热器研究的一种重要手段。

应用计算流体力学模拟管壳式换热器无相变壳程流场,由Patankar与Spalding在1974年最早提出[1]。

但由于受到当时计算机与计算流体力学的条件限制,研究进展缓慢。

20世纪80年代,由于核电厂换热设备的大型化、高参数化发展,促进了换热器数值模拟研究的开展[2,3]。

关于国内外的换热器数值模拟研究,采用二维研究的较多,而在三维研究方面,又通常采用自己编程的方法[4,5]。

利用FLUENT软件,模拟管壳式换热器壳程三维流场,本文进行了有益的探索。

FLUENT是世界领先、应用广泛的CFD软件,用于计算流体流动和传热问题。

FLU-ENT软件是基于CFD软件群的思想,从用户需求的角度出发,针对各种复杂流动的物理现象,采用不同的离散格式和数值方法,使得特定领域内的计算速度、稳定性和精度等达到最佳组合,从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。

1 模拟模型计算模型管壳式换热器壳程流场数值计算,采用了多孔介质与分布阻力模型。

由于换热器壳程结构复杂以及流动形态多样化,使得影响流体流动和传热的因素多,相对于管程而言,壳程流体的数值模拟复杂,特别是具有复杂折流板结构的情况,更为如此。

对于普通折流板换热器,壳程流体时而垂直于管束,时而平行于管束,还有一部分流体从折流板与管子之间的间隙中泄漏,同时管内流体与管外流体的热交换耦合在一起,因此进行管壳式换热器壳程流场的数值模拟,需要采用多孔介质与分布阻力模型来简化计算。

㊀第３７卷ꎬ总第２１４期２０１９年３月ꎬ第２期«节能技术»ＥＮＥＲＧＹＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ ３７ꎬＳｕｍ Ｎｏ ２１４Ｍａｒ ２０１９ꎬＮｏ ２㊀基于Ｆｌｕｅｎｔ的相变储能换热器回路仿真分析贾卓杭ꎬ郭㊀亮ꎬ张旭升(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所ꎬ吉林㊀长春㊀１３００３３)摘㊀要:研究了一种相变储能换热器ꎮ基于流体仿真软件ꎬ对其换热过程中的整个回路进行了建模分析ꎮ主要研究了相变材料液相分数及关键位置温度随时间变化的特性ꎬ并对比了不同相变材料导热系数及流体回路质量流速对控温特性的影响ꎮ研究发现ꎬ熔化工况时ꎬ导热系数的提高可以加速相变材料熔化速率ꎬ同时有效改善相变换热器的运行温度水平及稳定性ꎻ而流速的提高可以降低运行温度但同时会降低稳定性ꎮ凝固工况时ꎬ导热系数和流速的提高均有利于加速相变材料凝固ꎮ采用该种回路仿真分析方法可为储能换热器的设计和优化提供指导ꎮ关键词:相变材料ꎻ储能ꎻ换热器ꎻ导热系数ꎻ质量流速ꎻ回路仿真中图分类号:ＴＰ３９１.９㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:１００２－６３３９(２０１９)０２－０１２６－０４ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＰｈａｓｅＣｈａｎｇｅＴｈｅｒｍａｌＳｔｏｒａｇｅＥｘｃｈａｎｇｅｒＬｏｏｐｂａｓｅｄｏｎＦｌｕｅｎｔＪＩＡＺｈｕｏ－ｈａｎｇꎬＧＵＯＬｉａｎｇꎬＺＨＡＮＧＸｕ－ｓｈｅｎｇ(ＣｈａｎｇｃｈｕｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆｏｐｔｉｃｓꎬＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓꎬＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＣｈａｎｇｃｈｕｎ１３００３３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬａｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｗａｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ.Ｔｈｅｗｈｏｌｅｌｏｏｐｉｎｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｐｒｏｃｅｓｓｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｂａｓｅｄｏｎｆｌｕｉｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ.Ｐｒｉｍａｒｙｓｔｕｄｉｅｓｏｎｔｈｅｓｔａｔｅｏｆｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｍａｔｅｒｉａｌｓｍｅｌｔｉｎｇ/ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｖａｒｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｒｉｔｉｃａｌｐｏｓｉ￣ｔｉｏｎｏｖｅｒｔｉｍｅｗｅｒｅｔａｋｅｎꎬａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｍａｔｅｒｉａｌｓｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｆｌｕｉｄｌｏｏｐｍａｓｓｖｅｌｏｃｉｔｙｗａｓｃｏｍｐａｒｅｄ.Ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｉｎ￣ｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｃａｎａｃｃｅｌｅｒａｔｅｔｈｅｍｅｌｔｉｎｇｒａｔｅｏｆｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｍａｔｅｒｉａｌꎬｌｏｗｅｒｔｈｅｏｐｅｒａｔ￣ｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ.Ｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｖｅｌｏｃｉｔｙｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｕｔａｌｓｏｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ.Ｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｂｏｔｈｃａｎａｃｃｅｌｅｒａｔｅｔｈｅｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｍａｔｅｒｉａｌｓ.Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｗｈｏｌｅｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃａｎｂｅｔａｋｅｎａｓａｇｕｉｄａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｍａｔｅｒｉａｌꎻｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅꎻｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒꎻｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙꎻｍａｓｓｖｅｌｏｃｉ￣ｔｙꎻｌｏｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ收稿日期㊀２０１８－１１－０６㊀㊀修订稿日期㊀２０１８－１２－１１基金项目:国家自然科学基金资助项目(６１６０５２０３)ꎻ中国科学院青年促进会资助项目(Ｙ５６０３９Ｙ１５０)作者简介:贾卓杭(１９９２~)ꎬ男ꎬ硕士ꎬ研究实习员ꎬ主要研究方向为航天器热控及相变传热技术ꎮ０㊀引言相变材料(ＰＣＭ)相变过程中温度恒定ꎬ并且单位体积可吸收/释放大量的热ꎮ相变储能换热器是一种利用该特性的㊁同时具有储能和换热功能的设备[１－２]ꎮ可解决众多能源存储利用及散热问题ꎬ如对间歇性㊁不稳定性较强的太阳能进行利用ꎬ对空间中载荷发热进行综合调配利用等[３－４]ꎮ近年来该方面的研究在国内外逐渐受到重视ꎮＴｅｇｇａｒ针对制冷系统中平板封装的相变材料ꎬ利用导热模型研究了材料的凝固ꎬ提出了一种有限体积控制的焓方法ꎬ发现相变材料在总凝固时间的５７％完成了８１％的总储能[５]ꎮＳｈｏｋｏｕｈｍａｎｄ采用数值方法研究了双管相变换热器的换热特性ꎬ发现在内部管上加纵向翅片能显著优化熔化效果[６]ꎮＥｓａｐｏｕｒ对多管相变换热器截面建立二维模型ꎬ发现提高入口温度和增加内部管的数量增加对熔化增速明显ꎬ而增加质量流速影响较小[７]ꎮ曲乐结合ＳＲＫ方程研究板翅式换热器ꎬ得到沿长度方向一定温度下传热系数㊁压力梯度的变化曲线[８]ꎮ韩广顺利用Ｆｌｕ￣ｅｎｔ软件分析了列管式相变储能换热器ꎬ发现进口功率一定的条件下ꎬ添加翅片及提高相变材料导热系数对强化换热效果显著[９]ꎮ莫冬传通过仿真研究了石蜡增加不同比例膨胀石墨的影响ꎬ并确定了其换热器最优管间距为３０ｍｍ[１０]ꎮ阮世庭实验研究了板式储能换热器不同工况的温度特性[１１]ꎮ相变储能换热器较传统的流体换热器有明显的复杂性ꎬ其内部相变材料的状态随相变过程的进行而随之变化ꎬ数值模拟在该方面则具有较大的优势ꎮ现有文献中采用计算流体动力学软件对相变传热过程进行的研究主要以换热器内部二维局部特征为对象ꎬ对完整储能换热器回路工作状态的温度场㊁温度变化趋势等参数描述不够真实全面ꎮ本文基于流体仿真软件ꎬ以换热过程中整个回路为对象采用三维建模仿真的手段ꎬ研究了相变换热器吸热/放热过程中的相关特性ꎮ２㊀数理模型某空间应用的相变储能换热器的原理模型如图１所示ꎬ图１为计算模型半剖视图ꎬ图中Ａ区域为相变材料ꎬＢ区域为流体工质ꎬＣ区域为同载荷面相接触的金属安装座ꎮ相变空间外形尺寸为１４０ˑ１２０ˑ３０ｍｍꎬ载荷金属座外形尺寸为６０ˑ７４ˑ１４ｍｍꎬ流体工质管径为１０ｍｍꎮ对计算模型作如均质㊁各向同性ꎻ(３)相变温度为固定温度点ꎬ且忽略固液间热物性变化ꎻ(４)除换热面同外界存在热交换外ꎬ整体外边界绝热ꎻ(５)忽略重力影响ꎮ换热器吸热过程为载荷面发热ꎬ安装座Ｃ单侧同载荷面接触处为受热面ꎬ流体工质在泵的作用下循环流动ꎬ将热量带到相变材料区域ꎬ通过相变材料熔化吸热ꎬ降温后的流体工质重新回流冷却发热面ꎬ即为换热器储热工况ꎻ放热过程循环方式相同ꎬ差别在于相变材料初始状态为液体ꎬ内部发生凝固放热ꎬ而载荷面为低温区ꎬ连接散热面或需要加热的结构ꎮ图１㊀相变储能换热器原理模型图储能换热器采用的相变材料为石蜡类材料Ｃ１６Ｈ３４ꎬ相变温度为２８９.８５Ｋꎬ相变潜热为２３６ｋＪ/ｋｇꎬ密度０.８ｇ/ｃｍ３ꎬ比热容２.５ｋＪ/(ｋｇ Ｋ)ꎬ导热系数０.２Ｗ/(ｍ Ｋ)ꎮ其导热系数可通过向石蜡内增加膨胀石墨形成复合材料从而增加至１０Ｗ/(ｍ Ｋ)以上[１０]ꎮ循环流体工质为水ꎬ比热容为４.２ｋＪ/(ｋｇ Ｋ)ꎮ管内流体工质区域设置棱柱网格作为边界层ꎬ其他区域采用非结构化的四面体网格ꎬ网格总体数量约１８万ꎮ除换热面外ꎬ其他外边界面为绝热壁面ꎮ泵驱动回路流体工质流动通过ｆａｎ边界实现ꎮ流体区域和固体区域分别采用三维㊁非稳态㊁定常物性的对流换热模型和导热模型ꎬ相变区域采用Ｆｌｕ￣ｅｎｔ软件中的凝固－熔化模型ꎮＦｌｕｅｎｔ软件采用的凝固－熔化模型中ꎬ引入了一个液相率β的概念ꎮβ＝０ꎬＴ<ＴｓＴ－ＴｓＴｌ－ＴｓꎬＴｓ<Ｔ<Ｔｌ１ꎬＴ>Ｔｌìîíïïïï(１)式中㊀Ｔ 相变材料温度ꎻＴｌ 材料的液相线对应的温度ꎻＴｓ 材料的固相线对应的温度ꎻ当０<β<１时ꎬ认为材料处于液固两相区ꎮ３㊀仿真结果及分析根据熔化或凝固工况㊁相变材料导热系数及循环工质质量流速共进行１０组仿真算例对比分析ꎬ分组见表１ꎮ㊀㊀表１㊀仿真算例分组序号融化/凝固导热系数/Ｗ (ｍ Ｋ)－１质量流速/ｇ ｓ－１１融化０.２０.３８２融化２.００.３８３融化１０.００.３８４融化２.００.６６５融化２.０１.１１６凝固０.２０.３８７凝固２.００.３８８凝固１０.００.３８９凝固２.００.６６１０凝固２.０１.１１３.１㊀熔化过程熔化过程仿真采用的参数为整体初始温度２８０Ｋꎬ加热功率２０Ｗꎬ研究时间范围０~５０００ｓꎮ３.１.１㊀材料导热系数的影响采用纯石蜡作为相变材料ꎬ导热系数仅为０.２Ｗ/(ｍ Ｋ)ꎮ通过添加膨胀石墨可以明显提高材料导热率ꎬ但同时石蜡质量分数的减少会导致相变潜热相应的减少ꎬ降低等质量材料储热能力ꎮ下面主要研究通过增加膨胀石墨将导热系数提高到１０Ｗ/(ｍ Ｋ)以下ꎬ并可粗略认为相变潜热未受到影响的情况ꎮ循环流量统一设定为０.３８ｇ/ｓꎮ图２为储能换热器储热工况时ꎬ内部相变材料吸热熔化ꎬ整体液相分数随时间的变化情况ꎮ从图中可以看出ꎬ由于初始温度较低ꎬ曲线初始保持在０值附近ꎬ相变材料几乎未发生熔化ꎻ而在曲线后半段ꎬ２㊁３两组液相分数值相近ꎬ保持高于组１ꎮ最终时刻达到的液相分数分别为:组１ꎬ０.６９７ꎻ组２ꎬ０.８３１ꎻ组３ꎬ０.８５９ꎮ图２㊀液相分数变化曲线(组１㊁２㊁３)图３为对应组受热面平均温度随时间变化曲线ꎬ２㊁３两组曲线趋势相近ꎬ温度首先升高ꎬ随之进入稳定端ꎬ保持一段时间后继续升高ꎮ而组１在研究时间范围内温度保持升高ꎮ最终时刻达到的面平均温度分别为:组１ꎬ３２９.１７Ｋꎻ组２ꎬ３０９.５９Ｋꎻ组３ꎬ３０５.６０Ｋꎮ从两图中可知ꎬ未加入石墨的纯石蜡材料导热率过低ꎬ随着相变材料熔化深度的逐渐增加ꎬ相变区图３㊀受热面温度变化曲线(组１㊁２㊁３)域同循环工质间热阻迅速增加ꎬ导致受热面同相变点的温差不断增大ꎬ受热面持续升温ꎬ无法稳定ꎮ并且液相分数保持低于另外两组ꎮ而加入膨胀石墨的２㊁３两组ꎬ液相分数及温度曲线初期基本重合ꎬ而在后期差别逐渐明显ꎮ后期组２温度水平升高明显较快ꎮ１㊁２两组在研究时间范围内相分布云图变化情况如图４所示ꎮ对比(ａ)(ｄ)两图发现ꎬ在运行时间为１０００ｓ时ꎬ导热系数较大的组２其相变材料在靠近循环工质入口的位置上熔化更为迅速ꎬ在液化深度上较大ꎮ而由于在上游换热充分ꎬ靠近出口的相变材料则熔化相对缓慢ꎮ对比(ｂ)(ｅ)两图发现ꎬ随着熔化不断进行ꎬ融化区域的差别更加明显ꎮ组１在相变区内蛇形管的不同流段处ꎬ沿管径方向的融化深度基本一致ꎻ而组２循环工质出口处熔化深度较入口位置差距较大ꎮ最终时刻ꎬ组２的总体液化程度较组１更高ꎬ如图(ｃ)(ｆ)ꎮ图４㊀液相分布变化云图(组１㊁２)３.１.２㊀流体流速的影响相变储能换热器的主要目的在于控制载荷温度水平ꎬ调节管内循环工质质量流速对受热面温度及相变材料熔化状态有一定影响ꎬ也可作为调节受热面温度的有效手段ꎮ下面研究２㊁４㊁５三组ꎬ导热系数均为２.０Ｗ/(ｍ Ｋ)ꎬ质量流速分别为０.３８ｇ/ｓꎬ０.６６ｇ/ｓꎬ１.１１ｇ/ｓꎮ如图５㊁图６所示ꎬ质量流速越大ꎬ相变材料融化速度越快ꎬ同时受热面温度水平越低ꎮ最终时刻所达到的液相分数越高ꎬ温度也越低ꎬ具体数值分别为:组２ꎬ０.８３１ꎬ３０８.５９Ｋꎻ组４ꎬ０.８５４ꎬ３０５.３３Ｋꎻ组５ꎬ０.８６５ꎬ３０３.６７Ｋꎮ质量流速较大的组末期温度曲线变化更为明显ꎬ且熔化中期温度的稳定性较差ꎮ图５㊀液相分数变化曲线(组２㊁４㊁５)图６㊀受热面温度变化曲线(组２㊁４㊁５)图７为组５熔化过程的液相分布云图变化情况ꎬ对比(ａ)(ｇ)两图及(ｅ)(ｉ)两图ꎬ可明显发现质量流速的提高会导致相变材料沿管路流动方向熔化速度更快ꎬ而在径向即熔化深度上则相对较慢ꎮ３.２㊀凝固过程储能换热器凝固放热ꎬ假定冷端状态为定温２５０Ｋꎬ而相变材料初始状态为液态ꎬ整体初始温度３３０Ｋꎬ研究时间范围０~５０００ｓꎮ如图８ꎬ同熔化过程类似ꎬ导热系数越大的组液相分数变化越快ꎮ组７㊁８分别经过４１７０ｓ和２７４０ｓ完全凝固ꎬ而组６在最终时刻液相分数仅达到０ ２０ꎬ未完全凝固ꎮ由于受热面定温ꎬ循环流速的提高不仅会强化换热能力ꎬ同时会增加传热功率ꎬ因此会明显缩短凝固时间ꎬ如图９所示ꎮ９㊁１０两组完全凝固所用的时间分别为３３３０ｓ和２７６０ｓꎮ图７㊀液相分布变化云图(组５)图８㊀液相分数变化曲线(组６㊁７㊁８)图９㊀液相分数变化曲线(组７㊁９㊁１０)４㊀结论本文对相变储能换热器建立三维数理模型ꎬ使用Ｆｌｕｅｎｔ软件研究了相变换热器吸热/放热过程中的相关特性ꎬ得到结论如下:(１)熔化工况时ꎬ相变材料的导热系数的提高可以明显提高熔化速率及整体液化比例ꎬ同时有效降低运行温度水平ꎬ提高温度稳定性ꎮ循环工质的㊀(下转第１７９页)应用手册[Ｍ].北京:中国电力出版社ꎬ２０１４:１－１０. 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