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China Heating,Ventilation and Air Conditioning
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平板熱管蓄冰裝置傳熱特性研究

  • 作者:
  • 中國暖通空調網
  • 發布時間:
  • 2021-08-13

劉子初  全貞花  趙耀華  靖赫然  王林成  劉新
北京工業大學綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室

       【摘  要】基于焓孔法與有限體積法對以平板熱管為核心傳熱元件,多通道扁管為傳熱流體流道的蓄冰裝置進行數值模擬研究。建立了蓄冰裝置的三維非穩態數學模型并求解,研究了凝固過程中的傳熱特性、液相率及相變前沿,對比分析了有無翅片對結冰速率的影響,探討了不同翅片高度、翅片間距和翅片厚度下蓄冰裝置的傳熱特性。研究表明,封閉式矩形翅片的相變前沿呈現出從“U型”向“O型”變化的趨勢,與不添加翅片相比,向蓄冰裝置中添加翅片可以明顯的提高結冰速率,縮短凝固時間。翅片高度的降低、翅片間距的減小和翅片厚度的增加對結冰速率的提升都很明顯。

       【關鍵詞】冰蓄冷;平板熱管;數值模擬;結構參數

0 引言

       制冷需求迅速增加,導致空調系統集中使用,電力供需不匹配與裝機容量增加問題備受關注[1]。冰蓄冷技術可以有效解決上述存在的問題,該技術在夜間(谷期)蓄冷,白天將儲存的冷量釋放出來,以滿足高峰期建筑的制冷需求,其具有蓄能密度高、相變過程接近等溫、釋冷過程溫度易于控制等優點[2,3]。這項技術已經廣泛的應用于空調系統中,相較于常規電力空調系統,通過“移峰填谷”可以有效的提高系統的運行效率,降低運行成本,減少對環境的污染。

       然而,蓄冷材料較差的導熱性限制了其在冰蓄冷空調系統中進一步的應用[4,5]。因此,為了提高傳熱效率,在過去的幾十年中,許多學者從不同方面進行了大量工作。比如,設計不同結構形式的蓄冰裝置(盤管式、管殼式、冰球式和冰漿式等),提高蓄冷材料的導熱系數(添加納米材料或泡沫金屬等)和擴展換熱面積(添加翅片等)。熱管依靠內部工質連續的蒸發冷凝可以在相當長的距離進行快速的導熱,展現了良好的導熱能力。近年來,一些學者開始注意到熱管在冷能存儲中的潛力,潘陽[6-8]等對單根熱管的蓄冰進行了一系列研究,從技術和理論角度研究和探討了熱管做為冰蓄冷裝置的適用性。Fang[9]等將分離式螺旋熱管應用于冰蓄冷空調系統。實驗結果表明,采用分離式螺旋熱管的冰蓄冷空調系統在蓄放冷過程中可以穩定工作。

       如上所述,現有蓄冰制冷用熱管均采用圓形熱管或分離式熱管,受傳熱效率低,系統穩定性差,成本高以及圓形熱管添加翅片來擴展傳熱面積的技術復雜等諸多因素的限制。為了解決傳統熱管及熱管蓄冰裝置的缺陷,劉[10]等采用趙耀華教授發明的新型平板熱管作為蓄冰裝置的核心傳熱元件,可以有效克服分離式熱管或圓形熱管的缺點,并將其與封閉式矩形翅片相結合,擴展與蓄冷工質之間的換熱面積,提高換熱效率。傳熱流體不同入口溫度及不同體積流量對平板熱管蓄冰裝置性能的影響已經通過實驗進行了研究。實驗結果表明,平板熱管優異的導熱性能顯著提高了蓄冰單元的換熱性能。但是,實驗中無法觀察到冰的形成過程,并且實驗中平板熱管蓄冰裝置的結構參數或許不是最優的,需要對其進行蓄冰傳熱過程分析及結構優化??紤]到通過實驗優化結構不僅工作量較大,浪費時間,而且成本較高,采用數值模擬是比較合理的方法。

       基于以上綜述,本文建立了平板熱管蓄冰裝置的三維非穩態數學模型,研究了冰的形成過程及蓄冰過程中的傳熱特性,并對封閉式矩形翅片的結構參數(包括翅片高度、翅片厚度和翅片間距)對蓄冰裝置換熱性能的影響進行分析討論。

1 蓄冰裝置與數學模型

       1.1蓄冰裝置與物理模型


圖1 平板熱管蓄冰裝置結構圖

       平板熱管蓄冰裝置的結構如圖1(a)所示,蓄冰裝置殼體由不銹鋼板制成,四周采用聚苯乙烯泡沫塑料材料保溫,尺寸為428×95×1050mm。蓄冰裝置芯體由三個蓄冰單元組成,平板熱管作為核心傳熱元件(充液工質為丙酮,充液率為15%),由多個獨立的帶有微槽的微熱管組成,通過鋁板一次性擠壓而成,其工作原理與傳統熱管相同,單根平板熱管的結構參數為96×3×800mm,如圖1(b)所示。結合多通道扁管作為傳熱流體流道,封閉式矩形翅片緊貼熱管表面以擴展與蓄冷工質之間的換熱面積進行強化換熱。多孔通道扁管的尺寸為368×7.5×120mm,內部單個孔的尺寸為5.3×4.8mm,如圖1(c)所示。封閉式矩形翅片的尺寸為96×20×800mm??紤]到對蓄冰裝置整體進行建模,計算量較大,模擬時間較長,并且蓄冰裝置是由三個相同的蓄冰單元組成,本研究只對其中一個蓄冰單元進行數值模擬。

       1.2 控制方程

       為了簡化問題,便于進行建模和求解,做出以下假設:

       (1) 蓄冰單元內部的水被認為是牛頓、不可壓縮流體,并且處于層流狀態;

       (2) 除了密度外,水的熱物理性質在液態和固態下分別為不同的固定值,由于水的密度隨溫度呈非線性變化,通過下式確定:

               (1)

       其中,ρ為密度,kg/m3;ρmax為水的最大密度,kg/m3;Tmax為水的最大密度時對應的溫度,℃。在本文中,ρmax=999.972kg/m3,ω=9.3×10-6,Tmax=4℃.

       (3) 忽略水凝固過程中過冷度和體積膨脹的影響;

       (4) 多孔通道扁管內部的微翅結構被忽略;

       (5) 平板熱管被視為高導熱系數的固體,導熱系數為50751W/m·K,導熱系數通過下式計算:

               (2)

       其中,λeff為平板熱管的導熱系數,W/m·K; leff為平板熱管的有效長度,m;P為蓄冰單元的蓄冷功率,W;AMHPA為平板熱管的橫截面積,m2;ΔT為平板熱管蒸發段和冷凝段的溫差,℃。

       (6) 平板熱管蓄冰裝置的所有外表面均假設為絕熱表面,忽略其向環境中的熱損失。

       對于水的凝固過程,不可壓縮流體的控制方程如下:

       連續性方程:

               (3)

       動量方程:

               (4)

               (5)

       能量方程:

               (6)

       其中, t為時間,min;為速度矢量,m/s;p為壓力,Pa;ε為防止被零除的小數,這里為0.0001;Cmush為糊狀區常數,這里為105;g為重力加速度,m2/s。

       水的焓值為其顯熱和潛熱的和,表示如下:

               (7)

       其中,href為參考焓,kJ/kg;Tref為參考溫度;cp為比熱,kJ/kg·K。

       潛熱量計算如下:

       ΔH=βL    (8)

       其中,潛熱量在0和L之間變化,L為335kJ/kg。

       液相率,β,定義如下:

               (9)

       其中,Tsolidus和Tliquidus分別為凝固和融化溫度,T為蓄冷材料溫度。

       1.3 參數與計算設置

       初始階段,蓄冰單元處于熱平衡狀態,初始溫度為18℃。載冷劑的入口溫度和體積流量分別為-10℃和0.16m3/h,其中載冷劑的進口為速度進口邊界,載冷劑的出口為壓力出口邊界。多孔通道扁管與平板熱管,平板熱管與封閉式矩形翅片和封閉式矩形翅片與水之間均設置為耦合邊界,所有外表面均設置為絕熱。采用前處理軟件GAMBIT對蓄冰單元建立幾何模型,劃分網格,定義邊界條件和區域。利用ANASYS FLUENT 17.0軟件調用凝固/融化模型求解水的三維瞬態凝固過程。

       1.4 模型驗證

       為了驗證模型的準確性和數值方法的可靠性,將蓄冰單元某一點水溫和翅片表面溫度的實驗值與模擬值進行對比,如圖2和圖3所示??梢钥闯?,數值模擬得到的結果與實驗值具有較好的一致性,可認為蓄冰單元的計算模型和數值方法是準確的,可以用到接下來的研究中。


圖2 蓄冰單元內某一位置水的溫度對比    圖3 蓄冰單元內翅片表面某一位置溫度對比

2 結果與討論

       2.1 凝固過程分析


圖4 蓄冰單元位于Z=680mm平面處液相率云圖變化情況

       蓄冰單元位于封閉的箱體內部,通過實驗觀察冰的形成過程比較困難,而采用數值模擬的方法可以有效的解決這個問題。從圖4中可以觀察到沿翅片高度方向水的凝固過程。翅片根部緊貼熱管表面,初始階段,冷量以導熱方式傳入翅片根部,溫度接近熱管溫度,溫度較低,水首先在翅片根部凝固。隨后,冷量沿翅片高度方向以導熱方式傳遞,翅片表面的溫度低于水的溫度,通過對流換熱方式向周圍的水散冷,翅片表面周圍的水要比中心位置的水先凝固,呈現固-液共存狀態。由于翅片溫度沿高度方向逐漸增加,翅片端部與水的溫差較小,所以初始階段翅片間的相界面(相變前沿)呈現為“U型”。隨著靠近翅片根部的水完全凝固,翅片端部的溫度進一步降低,相變前沿呈現為“0型”。值得注意的是,為了安裝方便,在封閉式矩形翅片管外側與箱體內側之間存在盲區(沒有翅片分布),只能依靠翅片表面與水之間的自然對流和水或冰的導熱作用傳遞冷量,熱阻較大,結冰速度明顯慢于有翅片分布的區域。因此,應盡量減小蓄冰裝置內存在盲區以提高蓄冷速率。

       2.2 翅片結構的參數優化

       考慮到大型的蓄冰裝置由多個蓄冰單元組成,僅靠近蓄冰裝置內壁的蓄冰單元受盲區的影響,其他并不受影響,所以在對蓄冰單元的結構優化中,盲區的影響被忽略,僅研究封閉式矩形翅片管內部的傳熱特性。在翅片結構的優化模擬中,載冷劑的入口溫度為-10℃,體積流量為0.16m3/h。

       2.2.1 翅片高度的影響


圖5 不同翅片高度條件下結冰率隨時間的變化

       圖5展示了在不同翅片高度情況下結冰率隨時間的變化情況,可以看出隨著翅片高度的增加水完全結成冰的時間也增加,這是因為隨著翅片高度的增加,水的體積增加,吸收的冷量隨之增多,水完全凝固所需的時間也越多。由于載冷劑與水的溫差較大,并且水的顯熱較小,翅片高度對水從初始溫度降到0 ºC幾乎沒有影響,主要對凝固過程的影響較大。并且翅片根部周圍的水先凝固,隨著翅片高度的增加,翅片端部與翅片根部的熱阻也隨之增大,與冰層的熱阻一起弱化了翅片端部周圍水的換熱效果。

       2.2.2 翅片間距的影響


圖6 不同翅片間距與無翅片條件下結冰率隨時間的變化

       圖6展示了不同翅片間距與無翅片條件下結冰率隨時間的變化。添加翅片與不添加翅片相比,結冰速率加快,完全凝固所需的時間明顯減少,翅片間距為10.1mm時,凝固所需的時間縮短25.3%,隨著翅片間距的進一步縮小,完全凝固所用的時間會更少,當翅片間距為2.4mm時,時間縮短36.8%。隨著翅片間距的減小,結冰速率增加,這是因為翅片間距的減小,意味著在固定體積內,翅片與水之間的換熱面積增加,熱阻減小,換熱量增加,結冰速率隨之提高。

       2.2.3 翅片厚度的影響


圖7 不同翅片厚度和無翅片條件下結冰率隨時間的變化

       圖7展示了不同翅片厚度和無翅片條件下結冰率隨時間的變化。添加翅片與不添加翅片相比,結冰速率加快,完全凝固所需的時間明顯減少,翅片厚度為0.25mm時,凝固所需的時間縮短27.8%,隨著翅片間厚度的進一步增加,完全凝固所用的時間會更少,當翅片間距為1mm時,時間縮短39.9%。并且可以看出隨著翅片厚度的增加,結冰速率也隨之增加。翅片越厚,同一時刻的蓄冰量也越多。

3 結論

       (1)平板熱管蓄冰裝置內封閉式矩形翅片的相變前沿呈現出從“U型”向“O型”變化的趨勢,將冷量有效地限制在矩形封閉區域內,提高了蓄冰速率。

       (2)與不添加翅片相比,向蓄冰裝置中添加翅片可以明顯的提高結冰速率,縮短凝固時間。

       (3)翅片高度的降低、翅片間距的減小和翅片厚度的增加對結冰速率的提升是顯著的。

參考文獻

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       [10] Zichu Liu, Zhenhua Quan, Yaohua Zhao, Heran Jing, Liu Xin, Lincheng Wang. Experimental research on the performance of ice thermal energy storage device based on micro heat pipe arrays. Applied Thermal Engineering, 185(2021)116452.

       備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2021年4月刊 總第42期(第二十屆全國暖通空調模擬學術年會論文集)。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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