新型分叉翅片强化管壳式储能罐储热性能_毛前军.pdf

第 12 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.12 No.1Jan.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology新型分叉翅片强化管壳式储能罐储热性能毛前军，朱元媛（武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430065）摘要：针对相变材料的质量和最大储热能力因翅片占据相变储能装置的部分体积而下降的问题，实现翅片结构优化具有重要意义。本工作在传统纵向翅片的基础上根据分叉形状提出了一种新型翅片来提高管壳式相变储能罐的储热性能，并针对该装置中相变材料带自然对流的熔化过程进行了三维数值模拟研究，分析了翅片数量、传热流体的入口温度和流速对相变材料熔化过程的影响。研究结果表明：与具有同等体积和数量的纵向翅片相比，新型分叉翅片显著加快了管壳式相变储能罐的蓄热过程。与无翅片和纵向翅片相比，新型分叉翅片使相变材料的熔化时间分别缩短了59.9%和23.4%，平均储热速率分别提高了142.1%和31.4%。在不改变翅片体积的前提下，增加翅片的数量可以减少相变材料的熔化时间，提高平均储热速率，但当翅片数量超过6时，对储热性能的进一步改善效果不明显。提高传热流体的入口温度和流速不仅可以缩短相变材料的熔化时间，也可以增加总储热量和平均储热速率。研究结果可为管壳式储能装置的结构优化和太阳能的高效利用提供一定的参考价值。关键词：翅片；储能装置；相变材料；储热性能doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0501 中图分类号：TK 02 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）01-69-10Study on heat storage performance of novel bifurcated fins to strengthen shell-and-tube energy storage tanksMAO Qianjun,ZHU Yuanyuan(School of Urban Construction,University of Science and Technology Wuhan,Wuhan 430065,Hubei,China)Abstract:The issue that the quality and maximum heat storage capacity of the phase-change material(PCM)are diminished as a result of the fins taking up some of the volume of the phase-change energy storage device is one that must be addressed by optimizing the fin structure.To improve the heat storage capacity of the shell-and-tube phase-change energy storage tank,a new type of fin was developed according to the bifurcated shape based on the conventional longitudinal fin,and a three-dimensional numerical simulation of the PCM melting process with natural convection in the device was carried out.The effects of the heat transfer fluids inlet temperature,flow rate,and fin count on the melting of PCM have been examined in detail.The findings demonstrate that,in comparison with the longitudinal fin of the same volume and number,the new bifurcated fin greatly speeds up the heat storage process in the shell-and-tube phase-change energy storage tank.The new bifurcated fins increased average heat storage rate by 142.1%and 31.4%,respectively,while reducing PCM melting time by 59.9%and 23.4%,respectively,compared to longitudinal fins and no fins.Increasing the number of fins can decrease PCMs melting time and increase average heat 储能材料与器件收稿日期：2022-09-05；修改稿日期：2022-09-14。基金项目：国家自然科学基金项目（51876147）。第一作者及通讯联系人：毛前军（1980），男，博士，教授，博士生导师，研究方向 为相变材料的传热性能及太阳能利用，E-mail：。2023 年第 12 卷储能科学与技术storage rate without changing the volume of fins.However,there is no further gain in heat storage performance when the number of fins is greater than 6.Shortening the PCM melting time and increasing the total and the average heat storage rates can be accomplished by raising the heat transfer fluids inlet temperature and flow rate.The results can offer a specific reference value for the structural optimization of the shell-and-tube energy storage device and the effective exploitation of solar energy.Keywords:fin;energy storage device;phase change material;heat storage performance据中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告显示，能源活动是我国温室气体的主要排放源，约占我国全部二氧化碳排放的86.8%。因此，要实现“碳达峰”和“碳中和”目标，能源领域减排首当其冲。在能源活动中，化石能源占主要地位，这意味着在“双碳”目标指引下的能源革命要将传统的以化石能源为主的能源体系转变为以可再生能源为主、多能互补的能源体系，进而促进我国能源及相关工业升级。太阳能作为可再生能源之一，具有可利用性、丰富性、生态友好性等优势，但由于太阳能存在周期性和间歇性，同时白天和黑夜对能源消耗的需求并不均衡，储能技术已成为保证太阳能系统高效、稳定运行的关键技术1。根据热能储存的方式，储能技术主要分为显热储能2、潜热储能3和热化学储能4。其中，使用相变材料的潜热储能技术由于储热量更高且性能稳定而更具吸引力5。但是，大多数相变材料特别是目前使用较多的有机相变材料的导热系数都很低，使相变储能装置无法快速进行热量的储存，因而必须采用强化措施来改善。强化相变储能装置储热性能的方法主要包括：改变储能系统的几何结构6，添加高热导率材料7，使用梯级储能系统8，对相变材料采用微封装技术9和通过翅片拓宽传热面积10等。作为强化传热最常见的手段，翅片具有制造成本低、使用方便、强化效果明显等优点，在相变储能系统中仍然是受众多学者倾向的研究内容。其中，纵向翅片因结构简单、换热效率高等优点而被广泛使用。Rathod等11通过实验研究了管壳式储能系统中相变材料的熔化和凝固过程，发现与没有翅片的装置相比，安装3个纵向翅片可减少25%的熔化时间和44%的凝固时间。Abdulateef等12总结了传热流体和相变材料之间的传热增强策略，强调使用纵向翅片结构，尤其是沿传热管的圆周布置翅片，可以实现最佳增强。Agyenim等13分析了圆形翅片、纵向翅片和多管对赤藓糖醇相变过程的影响，发现纵向翅片系统表现最好。从文献回顾可以看出，纵向翅片结构的强化作用已经通过实验或数值模拟得到证实，但需要注意的是，翅片占据了相变储能容器体积的一部分，从而使相变材料的体积和最大储热能力下降。随着储能装置趋于小型化，优化翅片结构对于提高相变储能装置的储热性能具有重要意义14。植物脉、血管系统和河网的分叉形状在将物质和热量从一个点输送到一个区域方面具有令人印象深刻的优势15，受此启发，使用分叉翅片来增强相变储能系统的储热性能。Safari等16通过实验和数值模拟研究了矩形翅片和Y形翅片对管壳式换热器中相变材料熔化行为的影响，发现Y形翅片优于矩形翅片。Zheng等17研究了相变材料在树形换热器中的凝固行为，发现四层树形翅片换热器的效率比传统的纵向翅片提高了53.0%。Zhang等14对树形翅片相变储能系统中相变材料的凝固过程进行了实验和数值研究，并使用响应面方法优化了翅片结构。上述结果进一步证实了分叉翅片的可行性。然而，现有对分叉翅片的研究主要集中在水平相变储能装置的凝固传热过程，只有少数研究涉及竖直管壳式相变储能装置的熔化过程。此外，从模型构建的角度来看，目前对分叉翅片的研究仍以二维数值模型为主，但在实际应用中，相变储能装置中的熔化过程是一个涉及自然对流的三维流动和传热耦合过程。本工作提出了一种新型分叉翅片，其通过优化传统纵向翅片结构来增强立式管壳式储能罐的储热性能。通过与无翅片和纵向翅片对比，从熔化时间、动态温度响应、总储热量和平均储热速率等方面证明了新型分叉翅片的合理性，分析了翅片数量、传热流体入口温度和流速对相变材料熔化过程的影响。70第 1 期毛前军等：新型分叉翅片强化管壳式储能罐储热性能1 物理与数值模型1.1物理模型管壳式相变储能装置及两种翅片结构的物理模型如图1所示。管壳式相变储能罐的高度为350 mm，外壳直径为250 mm，内管直径为25 mm，内管壁厚为2 mm，两种翅片均占壳管空腔体积的1.7%。为了比较不同翅片结构的传热特性，在罐体内部径向和轴向共布置了5个温度监测点。测点2、4和5均位于相邻翅片之间壳管空腔中分竖直面，距罐体底部的高度分别为300 mm、200 mm和100 mm，测点1、2和3间距28 mm均匀布置同一水平面。传热流体为高温水并通过内管自上而下进入罐体，内管与翅片、外壳之间的区域填满了石蜡。外壳为亚克力板，内管与翅片材料均为铜，各材料的热物理性质详见表1。储能罐外壳可视为绝热边界，内管和翅片与石蜡的接触面均为耦合边界。传热流体入口温度恒定为358 K，流速恒定为0.085 kg/s，储能罐所有区域初始温度均为303 K。1.2数学模型基于焓-孔隙率模型模拟相变材料的熔化过程，为了简化计算，做了以下假设：（1）液态石蜡为层流、不可压缩流体；（2）忽略黏性耗散的影响；（3）相变材料的热物理性质与温度无关，采用Boussinesq近似来考虑自然对流的影响18；（4）忽略相变材料与管道和翅片接触面的热阻；（5）在固相向液相转变过程中，忽略相变材料的体积变化。基于假设，熔化过程中的控制方程19-21如下：连续性方程：V=0(1)动量方程：t(V)+(VV)=-P+2V+g(T-Tre