非均匀翅片对级联相变储热系统热性能强化的研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20114

摘要/Abstract

摘要：

级联相变储热是一种具有重要商业前景的相变储热技术。利用数值模拟方法研究了一种采用非均匀翅片布置进行强化传热的级联相变储热系统，分析了各级相变储热模块采用均匀翅片数量和均匀翅片高度布置对系统的强化作用，进而研究了各级模块采用非均匀翅片数量和非均匀翅片高度布置下系统的充/放热性能。研究结果表明：相比于各级采用均匀翅片数量布置，采用非均匀翅片数量布置的级联相变储热系统可缩短完全熔化及凝固总时间约5.2%，同时提高系统充热平均功率约12.6%；采用非均匀翅片高度布置可略微缩短系统完全熔化及凝固总时间，但对系统充/放热平均功率影响较小。研究结果对级联相变储热系统的强化传热具有一定理论指导价值。

关键词: 太阳能热发电, 级联相变储热(CLH-TES), 相变材料(PCM), 强化传热, 非均匀翅片, 数值模拟

Abstract:

The cascaded latent heat thermal energy storage (CLH-TES) is a kind of thermal energy storage technology with promising commercial prospects. The heat transfer enhancement of CLH-TES system by adding uneven number/height of fins for different phase change material (PCM) layers (uneven number/height layout) was numerically investigated. Firstly, for the system adding same number/height of fins for all the PCM layers (even number/height layout), the influences of number and height of fins on the charging and discharging performance were compared. Then, the charging and discharging performances of the systems with uneven number/height layout of fins were calculated. The results show, comparing to the even number layout,the system with uneven number layout can shorten the total time for the melting and solidification processes by 5.2% and increase the average charging rate by 12.6%. Besides, comparing to the even height layout, the system with uneven height layout can slightly decrease the total time for the melting and solidification processes but hardly affect the average charging and discharging rate. The findings can guidance the design of heat transfer enhancement to the CLH-TES with fins.

Key words: solar thermal power generation, cascaded latent heat thermal energy storage (CLH-TES), phase change material (PCM), heat transfer enhancement, uneven fins, numerical simulation

中图分类号:

TK 512⁺.4

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图/表 16

图1 三级联相变储热系统实物图

Fig. 1 CLH-TES system with three PCMs

表1 储热系统中相变储热模块的几何尺寸 (mm)

Tab. 1 Geometric dimensions of phase change heat storage module in heat storage system

参数	数值
壳内径/长度/厚度	60/400/5
管内径/厚度	12.5/1.5
翅片高度/厚度	12/2

图2 三级联相变储热系统的物理模型

Fig. 2 Physical model of CLH-TES system with three PCMs

表2 3种相变材料的热物性

Tab. 2 Thermophysical properties of three PCMs

热物性	PCM1	PCM2	PCM3
固相线温度/K	494.15	463.75	415.59
液相线温度/K	509.15	475.85	423.25
潜热值/(J·g^-1)	102.10	250.10	51.63
导热系数/ (W·m^-1·K^-1)	0.76(固相)	0.74(固相)	0.99(固相)
导热系数/ (W·m^-1·K^-1)	0.45(液相)	0.48(液相)	0.56(液相)
比热容/ (J·kg^-1·K^-1)	399.33+ 2.193 4T	890.323 4+1.564T(固相)	291.33+ 2.661 8T
比热容/ (J·kg^-1·K^-1)	399.33+ 2.193 4T	-14 195.743+60.478T- 0.055 79T²(液相)	291.33+ 2.661 8T
密度/(kg·m^-3)	2 074	1 994	2 061

表3 导热油、空气、不锈钢和玻璃棉的热物性

Tab. 3 Thermophysical properties of thermal oil, air, stainless steel, and glass wool

热物性	导热油		空气	不锈钢	玻璃棉
热物性	553 K	353 K	空气	不锈钢	玻璃棉
导热系数/(W·m^-1·K^-1)	0.100 6	0.114 6	0.024 2	18.000 0	0.043 0
比热容/(J·kg^-1·K^-1)	2 380.0	1 780.0	1 006.4	502.0	750.0
密度/(kg·m^-3)	849.000	966.500	0.854	7 930.000	30.000

图3 不同情况下充热过程中PCM3液体体积分数的变化曲线

Fig. 3 Change curves of PCM3 liquid volume fraction during charging processes under different conditions

图4 实验与数值模型的监测点温度对比

Fig. 4 Temperature comparison of monitoring points between experiment and numerical model

图5 各级相变材料完全熔化及凝固所需总时间随翅片数量和翅片高度的变化曲线

Fig. 5 Curves of total time required for complete melting and solidification of PCMs with fin number and fin height

表4 均匀与非均匀翅片数量的3种工况

Tab. 4 Three conditions of even and uneven fin number

工况	翅片高度/mm	翅片数量/个
工况	翅片高度/mm	PCM1	PCM2	PCM3
1	12	4	4	4
2	12	4	8	0
3	12	2	10	0

图6 工况1, 2, 3下液体体积分数及工况2的速度分布云图

Fig. 6 Liquid volume fraction distribution of cases 1, 2, 3 and velocity distribution of case 2

图7 工况1, 2, 3下各级相变材料完全熔化及凝固所需总时间

Fig. 7 Total time for complete melting and solidification of PCMs under cases 1, 2, 3

图8 工况1, 2, 3下的系统充/放热平均功率

Fig. 8 Average power of system charging/discharging processes under cases 1, 2, 3

表5 均匀与非均匀翅片高度的3种工况

Tab. 5 Three cases of even and uneven fin height

工况	翅片数量/个	翅片高度/mm
工况	翅片数量/个	PCM1	PCM2	PCM3
1	4	12	12	12
4	4	12	14	10
5	4	12	16	8

图9 各级相变材料在工况4, 5下液体体积分数分布云图

Fig. 9 Liquid volume fraction distribution of PCMs under cases 4, 5

图10 工况1, 4, 5下各级相变材料完全熔化及凝固所需总时间

Fig. 10 Total time for complete melting and solidification of PCMs under cases 1, 4, 5

图11 工况1, 4, 5下的系统充/放热平均功率

Fig. 11 Average power of system charging/discharging processes under cases 1, 4, 5

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