相变蓄热技术的数值模拟研究

节能与环保是能源利用领域的重要课题。随着经济的发展和人民生活水平的提高，能源的过度开采，利用效率低，以及所造成的环境污染问题日益严重，成为制约经济发展和社会进步的不利因素。蓄能技术由于能够解决热能的供给与需求在时间和空间上的不匹配，而成为合理利用能源、减轻环境污染的有效途径。相变蓄热由于具有蓄热密度大、蓄放热温度恒定、容易控制等优点，已成为热能利用的新热点。 由于相变过程中伴随有传导、对流现象，使得相变传热问题的求解复杂化，大多数情况下都借助于数值模拟。本文利用Fluent软件对相变传热过程中的影响因素及强化传热方法进行数值模拟研究。研究过程和所得的结论如下： (1)建立第一类边界条件下的相变模型，将计算结果与前人实验数据作比较，确认计算模型和计算方法的正确性；然后分析自然对流对蓄放热过程的影响规律。模拟结果表明：①熔化过程中，受自然对流的影响，相变区域顶部融化较快，等温线向顶部斜倾；②熔化过程中，水平位置越高，温度分布越平稳；③自然对流在熔化和凝固过程中的作用不同，在熔化过程中加快熔化速度，而在凝固过程中则减慢凝固速度。 (2)在相变蓄热装置中添加翅片，以利用翅片提高相变蓄热系统的蓄热速度。首先建立简单的单元模型，将模拟结果与前人实验作比较，确认计算模型和计算方法的正确性。然后对添加不同翅片的蓄热单元进行数值模拟，分析翅片的导热率、热媒体的流量、翅片间距等因素对换热系数的影响。结果表明：①热量通过翅片在轴向向相变区域传递热量，翅片导热系数越大，热量传递越快；②不同导热率的翅片在的强化传热作用不同，石墨翅片使相变区域热量传递均匀化，铝翅片更能够加快蓄热速度，但容易产生局部过热；③翅片间距越小，换热面的传热系数越大，但与热媒体流量的关系不大。