增加融化传热的潜热储能Tube-and-Shell Combine-and-Shell模型模型

文摘

在蓄热器的融化石蜡tube-and-shell和combine-and-shell模型进行了数值研究,目标是减少充电时间通过改变管的形状组合形式。讨论结果温度等高线,液固界面轮廓,温度分布,液体分数,平均努塞尔特数。结果表明,充电时间在2000年代tube-and-shell模型,虽然1200年代combine-and-shell模型,这意味着全面负责combine-and-shell模型中的时间减少40%相比,tube-and-shell模型。

1。介绍

潜热能量存储系统使用相变材料(PCM)是研究人员感兴趣的是因为它的许多优点,其高存储容量。然而,关于使用PCM的主要缺点是它的热导率低,导致较长的传热从热源PCM,最终影响储存能量的总时间。另一方面,蓄热器的一个重要参数是充电时间,也就是说,所需的时间存储热能的相变材料(PCM)在融化过程中。

进行了很多研究,减少充电时间,添加一个连接矩阵的管(1),添加鳍纵墙(2),添加鳍矩形(3),使用复合散热片(4),使用两个相变材料(5),插入热管(6),将纳米粒子添加到PCM (7,8),使用封装PCM (9),基质金属插入PCM (10),使用两个椭圆柱面(11),并使用多孔介质(12)是其中之一。

蓄热器的实验研究tube-and-shell类型减少充电时间是由增加的表面积热墙;Rathod和巴纳吉13使用纵向鳍)进行了研究,结果表明减少熔化时间高达12.5%和24.52%在80°C的流体入口温度和85°C。Hamdani et al。14)使用纵向和径向翅片管进行了研究;结果表明,纵向鳍的使用需要一半的时间达到熔化温度相比,使用径向鳍的情况。名卡斯特尔et al。15]研究使用垂直的鳍片管的外面;结果表明传热系数的变化当使用外部散热片的结果增加了传热表面。崔和金16)使用翅片圆管一管相比没有鳍和转达了PCM的管的传热是受到融化PCM的自然对流的影响,特别是在没有鳍片管系统。张和Faghri [17内部)使用翅片管进行了研究,结果表明,添加鳍在里面是一个有效的方式来增加热载体时的传热流体导热系数低。

二维数值研究为了减少充电时间也由热墙的位置和形状的变化。工作由Arasu和Mujumdar [18)相比,它们的相变现象与加热器在正方形网格垂直墙而不是被墙上的水平,结果表明,与垂直墙加热器熔化时间更快因为有自然对流的增加。Kousksou et al。19]中的熔化过程相比矩形腔底部的波形,结果表明,振幅的增加价值的崎岖不平的表面原因融化速率的增加。Ebrahimi和Dadvand20.)比较了熔化过程在广场和两双腔的热量源库垂直墙,通过比较四种类型的情况下根据不同的配置;是获得这种情况下二世(每个墙垂直安装的热量源/汇与相反的头寸)液体分数最高。Mostafavinia et al。21]也比较了四种情况下不同位置的两对热sources-sink和结果表明,案例1(两个热源放置在底部墙和两个水槽在上面的墙)液体分数最高。

从进行的研究,可以得出结论,为了减少充电时间tube-and-shell蓄热器的类型,可以实现通过添加鳍。通过添加一个鳍,这意味着增加热墙的面积,增加的影响从热壁传热PCM导致充电时间减少。

这个数值研究的目的是减少充电时间不增加的表面积热墙。这是通过改变tube-and-shell模型的形状combine-and-shell形式。这项研究的结果提出了形式的温度等值线,液固界面轮廓,温度分布,液体分数,努塞尔特数。

2。物理模型

这个数值研究的模型图所示1。热壁tube-and-shell模型形状的管表面面积2975.4毫米²。与combine-and-shell热墙模型形状的管顶部和锥底部,管的表面积是822毫米²,圆锥的表面积是2153.8毫米²。

为验证实验装置如图2。测试模块tube-and-shell,管是由铜和丙烯酸的壳了。管的厚度是0.5毫米和壳牌是3毫米。测试模块的位置是垂直的。2热电偶被放置在进口和出口处标测试模块 。3热电偶(A、B和C)是嵌入到石蜡融化过程中测量温度分布。

3所示。计算方法

数值研究了使用ANSYS软件,流利使用几何子程序来构建模型;除此之外,网状子程序被用于啮合,并给予必要的边界单元;网格生成的数值模型是一个很好的结构化网格元素大小为1.030毫米。

流利的用于解决问题。在解决方案一起安装使用凝固和融化模型,由系统自动激活的能量方程。

由于密度、导热系数和粘度的石蜡取决于温度和用户定义函数(UDF)用于确定石蜡的属性,而其他属性的形式提供的常数。

石蜡的初始条件是在温度300 K的热壁的边界条件被认为是在一个恒定的温度343 K,剩下的部分墙壁绝热。

在解决方案的方法,简单的方案是使用很快被用于压力。动量和能量使用一阶逆风。低松弛因子控制的解决方案是使用压力= 0.3,密度= 1,能量动量= 0.7,= 1。连续性的绝对收敛标准设置为10⁻³能量的,那些设置为10⁻⁷。集成的时间步长时间衍生品被设置为0.1秒

解决方案运行期间,温度监控的点A, B, C位于根据所使用的模型和平均努塞尔特数监控热墙上用液体石蜡的每10年代被监控和数据存储。

这个数值分析使用的假设如下:(我)石蜡密度和粘度依赖于温度。(2)石蜡热导率取决于阶段。(3)液体石蜡流动是层流。(iv)牛顿液体石蜡。(v)体积变化融化时被忽略了。(vi)固体石蜡融化过程中依然存在。

4所示。热物理性质

石蜡性质提出了用于数值分析表1。

5。数值模型的验证

之前被用于数值分析,模型测试的依赖网格大小。测试进行了四种网格大小tube-and-shell模型,即30840年,51185年、71282年和91789年。导致温度分布比较的形式呈现在图3。越来越多的元素从30840年到71282年导致图形的重大差异,但从71282年到91789年增加生成相同的图。这些考虑,使用的77043个元素tube-and-shell模型和combine-and-shell的76825个元素模型。

图中有两个斜率变化;第一次发生在液相线温度和第二个发生在固相温度。这两个极限之间的区域。第一个斜率变化是由石蜡相变引起的从固体到糊状的,第二个斜率变化是由于从糊状液体石蜡相变。

验证是由比较tube-and-shell模型的温度分布之间的数值方法和实验。结果如图所示4。在过程的开始是实验结果表明温度大于数值结果;这是由于当时环境温度的实验28°C。在下次,石蜡的温度实验结果低于该数值结果;这是因为减少壳壁的传热对环境试验研究绝缘体,而在数值研究壳是绝热的。温度差异发生在数值和实验研究。在每个数据集的计算误差产生的平均误差为9.04%。一个好的协议整体之间的数值方法和实验。因此,下一个讨论使用数值分析的数据。

6。结果和讨论

图5(一个)显示温度轮廓tube-and-shell石蜡融化过程的模型。传导热壁固体石蜡的发生在过程的早期阶段(在 年代 s),导致温差在水平方向,这是明显的温度等值线平行于炎热的墙。融化过程发生在随后的时间,由于密度差的液体石蜡将向上移动,聚集在顶部区域的壳。在 年代的积累液体石蜡的顶部区域壳开始发生,由温度明显轮廓线的变化区域。连续随着时间的增加,大量的液体石蜡在前壳区域增加和继续这样做,直到所有的石蜡融化。

图5(b)所示的轮廓在熔化过程液固界面tube-and-shell模型。在融化过程的开始(在 年代 年代),它是由传导;它表现为液固界面被平行于热墙。石蜡的融化过程接近石蜡的热壁后发生温度达到的温度融化。之间形成一层薄薄的液体热壁和固体石蜡热壁附近的液体石蜡上行由于密度的差异。在 年代液体石蜡的积累在前壳开始发生的区域。在固液界面传热液体石蜡的固体石蜡。当液体石蜡的温度也降低了密度减少和液体石蜡向下移动。液体石蜡的上下运动形式的内部对流流动,通过对流传热为主。总的来说,从热壁传热固体石蜡取决于两种机制:自然对流热壁的液体石蜡和液体石蜡的固体石蜡;导电的固体石蜡。与液体石蜡的不断增加,液固界面移动速度,和自然对流变得更大。液体石蜡的聚集在顶部区域壳顶部地区温度升高的结果的熔化过程发生得更快。随后发生在较低的石蜡融化,最后融化发生在壳的石蜡在底部区域,直到所有石蜡融化 年代。

图6(一个)显示温度轮廓combine-and-shell石蜡融化过程的模型。由于热墙底部区域的面积更大,传递的热量从高温墙底部地区石蜡也更高。在 年代 年代,显然,石蜡接近锥形表面的温度高于石蜡的温度接近管。在随后的时间( ,高温石蜡的积累在前壳区域开始出现由于液体石蜡运动引起的自然对流流动。除了在顶部地区温度的增加,也有温度的增加在底部区域虽然不是高达在顶部区域。

图6(b)显示在融化过程中固液界面轮廓combine-and-shell模型。石蜡融化过程开始的底部区域壳由于锥形状的影响导致更快的传热底部区域,观察到 年代 年代。液体石蜡的积累开始发生地区 年代由于石蜡液体的流动由于密度的差异,虽然底部区域熔炼过程更快,由于对流流动的影响,导致融化在顶部区域也发生得很快。这意味着熔化过程的中间区域壳慢,明显 年代;固体石蜡仍然可以看到在中间区域的壳。融化过程持续进行和完成 年代。

图7显示了一个比较tube-and-shell之间的石蜡温度和combine-and-shell模型。温度在A、B和C上升同时tube-and-shell模型中的过程的开始。温度的增加是由于热墙所面临的三个地方的距离是一样的。此外,发生的传热是传导。除此之外,温度上升首先然后B和C的温度连续紧随其后。326.7°K的温度融化发生这样的温度图变得水平。融化过程第一次之后,B和C,分别。融化完成后,石蜡温度A, B和C都再次上升,直到达到相同的温度热墙。

combine-and-shell模型中,温度的增加是明显不同的,点C的温度上升速度比其他人。温度的增加C是由于距离接近热墙。传导传热中扮演一个重要的角色在这个过程的开始。另一方面,A和B的气温升高与温度几乎同时被略高于温度,但熔化温度达到第一的;这发生的自然对流,开始承担后续过程中一个重要的角色。因此,温度上升,其次是B和C。数值石蜡温度之间的比较,实验结果显示了一个类似的趋势虽然实验结果是小。

图8显示了一个液体分数tube-and-shell和combine-and-shell模型之间的比较。液体部分液体石蜡的数量比总量(液体+固体)。如果该值等于0,这意味着所有的石蜡是固体,如果值为1,这意味着所有液体石蜡已经改变了。因此液体分数作为一个参数来确定的石蜡熔化潜热储能。从图片可以看出combine-and-shell模型中的液体分数达到一个值等于1比tube-and-shell模型。根据数值数据结果,所需的时间达到一个值等于1 combine-and-shell模型是1200年代和2000年代在tube-and-shell模型中,分别,这意味着充电时间在combine-and-shell模型发生快40%。

图努塞尔特数9说明了传热的阶段,发生在两个模型。在早期阶段是传导传热,值迅速下降。下一阶段始于石蜡的融化,但液体石蜡仍然一动不动;从传导传热变化对流(过渡)。随着液体石蜡的增加,液体开始移动由于密度的差异和强烈的对流传热开始主导,以对流消失,直到完全改变成液体石蜡。

tube-and-shell模型中的强烈对流的发生始于70年代和700年代结束,对固液界面图3(b);从700年代成为短固液界面发生剧烈变化的对流的传热液体石蜡,固体石蜡也减少了。这一直持续到2000年代熔化过程完成。与努塞尔特combine-and-shell模型的数量不同,强烈的对流发生 年代 年代。强烈的对流的发生的时间跨度combine-and-shell模型tube-and-shell模型的比这长得多的时间。

7所示。结论

石蜡融化过程的蓄热器tube-and-shell模型和combine-and-shell模型进行了。结果可以概括如下。

温度轮廓发生差异。tube-and-shell模型中,增加温度最高地区的壳是速度比底部区域,而在combine-and-shell模型温度的增加发生在壳的顶部区域的相对底部区域同时壳。

基于液固界面轮廓,它是显示在顶部的tube-and-shell模型开始融化的壳,最终在底部区域,而在顶部的combine-and-shell模型开始融化区域和底部区域的壳,最终在外壳的中部地区。

温度的分布在这两个模型显示了显著差异。tube-and-shell模型,测量位置的温度升高是统一的,而在combine-and-shell模型,发生重叠的温度上升。

充电时间tube-and-shell模型花了2000年代,尽管combine-and-shell模型花了1200年代。充电时间的增加发生在combine-and-shell模型40%相比tube-and-shell模型。

在combine-and-shell强烈对流模型发生超过tube-and-shell模型。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

引用

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