板式石蜡储热器传热的数值模拟
郭茶秀 ．张务军。．魏新利 ．王定标(1．郑州大学化工学院450002；2．河南省天泰矿冶安全咨询公司45OOO3)
摘 要：在相变储热器中采用强化传热技术，克服相变材料的低导热性能，是目前国内外研究的热点。应用FLUENT软件数值模拟了翅片强化板式石蜡储热器的凝固传热过程，得到随时间变化的相界面位置、总凝固时间、壁面热流、翅片温度分布等，并进一步分析了翅片对不同长宽比W的储热器的强化传热效果。模拟结果表明，只有当叫≥1时，翅片才能对储热器起到明显的强化传热作用，研究结果可为相变储热器的优化设计提供可靠的依据。
关键词：相变材料,传热,数值模拟,板式储热器
中圈分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1005—7439(2006)06 0243—06
Numerical Simulation for Heat Transfer Problem in Paraffin Storage Slab
GUO Cha—Xiu ，ZHANG W mJun。。WEI Xin-Li 。WANG Ding-Bbiao
(1．School of Chemical Engineering。Zhengzhou University。Zhengzhou 450002-China；
2．Henan Tite Mineral&Metallurgical Safety Engineering Consultants Co．，Ltd．，Zhengzhou 450003，China)
Abstract：Using heat transfer enhancement techniques tO overcome the low heat——conductivity of the phase change material(PCM)has attracted great interest in research around the world．This paper uses fins as the heat transfer enhancement in a paraffin storage slab。and heat transfer in the solidification process is numerically simulated by Fluent software．The solid— liquid interface location-the total solidification time。wall surface heat
flux and temperature distribution of the fin in the PCM slab are presented．Moreover-heat transfer enhancement effects of the fin on the solidification process in the PCM slab with different ratio of length tO width are analyzed．The results show that the fins can significantly enhance heat transfer in the PCM slab when。which gives a reliable basis for the optimize design of the latent heat storage device．
Keywords：PCM ；heat transfer；numerical simulation；finned storage slab
相变储热器利用相变材料(PCM，phase change materia1)的固液相变过程来完成热能的存储和释放，具有体积小、储热密度大和恒温放热等优点，在空间太阳能热动力发电系统、建筑物砌体充填、热泵干燥机组和空调机组供暖等方面有着广泛的应用前景。在众多的相变材料中，石蜡以潜热大、化学性能稳定、价格便宜等优点已应用在室温蓄热、熔盐发电和太阳能等方面。但石蜡导热性能差(导热系数为0．1～O．2W／(m ·K)，在凝固过程中，随着相变材料的固一液界面离开传热面，由于凝固层不断地增厚传热阻力大大增加、凝固速度越来越小，因此必须采用强化传热技术才能达到预期效果。目前已有的强化传热技术n 主要有采用搅拌器／振动器、使用微胶囊相变材料、使用PCM-石墨复合材料以及应用扩展表面(如翅片和蜂窝结构)等。其中在储热器中使用扩展表面的强化传热技术效果显著、结构简单，因而受到关注，国外的相关报导也比较多[2 ]。如Velraj等[2 实验和数值研究表明垂直翅片管中相变材料的凝固时间是光管的1／n( 为翅片的个数)；
BugajeE 实验研究了铝翅片管和星状结构两种相变储热器的强化效果，结果表明，铝翅片管的性能比星状结构的要好，可以减少凝固时间2．2倍。国内也有少量相关报导，如王裕民等实验研究内纵翅片套管相变蓄热器的性能 ] 这些研究表明，采用翅片改变了储热器的储热和放热方式，对相变材料的强化传热效果是非常明显的。本文采用数值模拟方法研究储热器的形状对传热的影响，通过计算不同长
宽比的方形储热器中发生的相界面位置、壁面热流、翅片温度分布等，寻找合理的结构，希望能为相关的设计提供参考。
1 内翅片板式储热器模型
2 储热器数值模拟结果及其分析
3 结 论
本文对具有翅片的板式石蜡储热器建立了相应的计算传热模型，利用FLUENT软件对其凝固过程进行了二维数值模拟，得到了储热器三种不同长宽比时通过翅片和PCM 壁面的热流随时问的变化规律、不同时刻的相界面形状、相界面随时间的变化规律以及总凝固时间的确定方法。分析对比后认为板式储热器的长宽尺寸对PCM 的凝固速度有很大的影响，而且长宽比 决定了翅片是否能对其凝固过程起到强化作用。模拟结果表明，当 ≤l时传热沿 方向进行，总凝固时间取决于 方向的凝固速度，翅片起不到强化传热作用；当 一l时沿 方向和y方向的传热量基本相等；而当硼≥l时翅片起到了很大的强化传热作用，传热主要沿y方向进行，总凝固时问取决于y方向的凝固速度。所以在设计储热器时，为了充分利用翅片进行强化传热，一定要注意使储热器的长宽比 ≥l，否则翅片对传热强化所起的作用不大。
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