喷嘴-壳模型、管-壳模型和还原剂-壳模型储热中石蜡熔化的三维数值和实验研究

抽象的

已经研究了在喷嘴和壳，管 - 壳，管和壳中经历的石蜡熔融，以及带有3D数值和实验方法的热存储器中的减速器和壳牌模型。该数值研究旨在评估熔化过程，发现温度分布，液体固体界面，液体分数和平均表面露珠，而该实验研究的目的是确定熔化温度的分布。数值方法与实验性的温度分布的比较表明了良好的一致性。三种模型之间的比较结果表明，喷嘴和壳模型的熔化过程是最佳的，然后是管壳和壳和壳模型。为了完成熔化过程，所需的时间是喷嘴和壳模型的6130秒，而管子和壳模型需要8210 S和减速器和壳模型需要12280秒。

1.导言

在潜热中储存热能比在可明智的热量中更有利可图，因为某些材料的潜热远大于其明智的热量。由于它存储在潜热中，因此它涉及熔化过程。用作热能存储的材料通常称为相变材料（PCM），其是体验熔化凝固循环的材料。当材料从固体变为液体时，它会吸收周围环境的热能。相反，当它从液体变为固体时，它会释放能量。当存在相变时被吸收或释放的任何能量被称为潜热[1］.

热储存的目的是在生产过剩时收集能量。因此，必须满足的参数之一是电荷时间[2定义为热系统储存能量所需的时间。当储存热能时，会有热量转移到PCM中，触发熔化过程。由于pcm的形式主要是固体，传热是传导的结果。当它开始熔化，液体相变材料开始移动时，热量的传递是由于对流。

为了揭示石蜡熔化传热过程的特点，进行了多项实验或数值研究。Trp [3.对管壳式储热系统进行了实验和数值研究。结果表明，石蜡非等温熔化的数值模拟方法与实验方法吻合较好。充电时，PCM的温度随着时间的推移而升高，直到开始熔化。从加热过程一开始，传热就以传导为主。随后出现了传导和对流同时发生的过渡时期。然后，熔化过程继续进行，传热以对流为主，导致PCM的固体颗粒下沉到底部，而液体颗粒上升，导致顶部熔化速度加快。

Hendra等人也发现了熔化过程开始时的传导。［4对流系数开始时很高，然后很快下降到一个特定的值。然后，它慢慢地稳定到某一点，然后再次上升。在加热过程开始时，对流系数由高值降至某一特定点，表明传热以导热为主。此外，在自然对流的作用下，液固界面沿轴向由上向下移动。

液固界面的形式表明熔化过程中存在传热，这是Dhaidan等人提出的[5］.他对方形容器内的熔化过程进行了实验和数值研究。容器一侧在垂直壁上承受恒定的热流，另一侧被隔离。结果表明，熔体早期以传导为主，以平行于垂直热壁的液固界面为标志。在较晚的时间内，对流开始增强，液固界面开始形成拱形。Ho和Gao也说了同样的话[6］.在熔体中开发的对流流并用作该区域的对流机制，在外壳顶部产生更高的熔化速率，如液体固体界面的曲率所示。

清楚地，纽带数描述了熔化过程中的四个传热阶段，这是传导，过渡，强对流和消失对流。正如Shokouhmand和Kamkari所说的那样[7，对单侧加热立式矩形蓄热装置中月桂酸的熔化传热特性进行了实验研究。结果表明，在熔化过程的早期阶段，导热是主要的传热方式，随后是一个短暂的过渡。此外，对流主导了熔化过程的其余部分。当液-固界面到达对面壁面时，对流强度开始下降。

Hosseini等人采用焓孔法数值分析了管壳式换热器中石蜡的熔化过程。[8］.在充电过程中，它在数值模拟结果和关于PCM温度测量的实验性的情况下表现出良好的一致性，即使与兼容的其他研究相比，也与其他研究相比。除此之外，还提出，通过液体层部分的对流受到热交换器到PCM的热传递。实验研究表明，由于PCM浮力的效果，在壳体顶部发生急剧上升。

Arasu和Mujumdar对垂直墙加热和水平墙加热进行了比较[9］.他们对石蜡蜡的熔化过程进行了数值分析₂O_3.在一个方形的外壳中。热壁的温度在330 k处保持恒定，冷壁（热壁前面）在300k时也恒定，其他壁是绝热的。结果表明，储存用于加热垂直壁的熔化率和能量大于水平壁的加热的熔融速率和能量。另一方面，通过Kouskousou等人进行瓦楞换热器壁的使用。［10］.他们进行了一个矩形空腔内的熔化的数值研究，其中有一个波纹底壁，另一个壁是孤立的。底壁温度保持在38.3℃。腔内填充固体镓，初始温度为28.3℃。结果表明，表面波的振幅值随着融化速率的增大而增大。瓦楞表面的使用允许增加瓦楞表面和PCM之间的传热。

作为PCM，石蜡提供了Sharma等人所述的其他材料的许多优点。［11］.据说，石蜡可靠、便宜、无腐蚀性，在500°C以下具有化学稳定性，熔化时体积变化不大。根据乌克兰齐克等人[12[前石蜡在41-75℃的温度下熔化，总体焓变化为228至169J / g，导热率在0.19和0.21w / mk之间，并且当熔化达到14.8％时的体积变化。根据Giaria等人。［13]，石蜡对健康无害，相变温度范围为50-61℃，焓值为120.11 kJ/kg。采用差热分析(DTA)或差示扫描量热仪(DSC)测定潜热和熔化温度。

该三维数值研究旨在评估喷嘴-壳模型、管-壳模型和还原剂-壳模型的熔化过程。其主要特征是温度分布、液固界面轮廓、液相馏分和表面努塞尔数，采用实验研究进行验证。

2.材料和方法

研究方案如图所示1(一). 测试模块为喷嘴和壳体模型，喷嘴由厚度为0.5的铜制成 外壳由PVC制成，厚度为3 mm 嗯。隔离器由厚度为10 mm的聚苯乙烯泡沫塑料制成 嗯。测试模块的位置是垂直的。尺寸和测试模块如图所示1 (b)．

将热电偶放置在测试模块的入口处（）和在测试模块的出口（）。三个热电偶（，，及)在石蜡包埋的深度为3 mm，放置在不同高度，以测量熔化过程中的温度分布。

用于比较石蜡的熔化过程的三种模型如图所示2，即喷嘴-壳型、管-壳型和减速器-壳型。

数值分析采用Ansys Fluent软件对控制方程进行处理，在Ansys系统组件几何子程序中建立模型，结果如图所示2．此外，该模型被导出到程序组件Mesh，以生成并绑定到所需的字段。

在熔化过程中，热壁设定在330 k的恒定温度下，另一壁是绝热的。石蜡的初始温度是301k。使用者定义的功能（UDF）用于基于其温度计算石蜡的密度，导热性和粘度。使用简单的方案作为解决方案的方法，而Presto方案是用于压力校正方程。首级Upwind方案用于解决动量和能量方程。在松弛因子下，压力，密度，动量和能量分别为0.3,1,0.7和1。将融合绝对标准设置为而对于能源，则设置为．将时间衍生物集成的时间步骤设置为1 s。

数字3.针对初次计算中测试的情况，给出了不同的网格划分。采用55710、60980和68690三个网格尺寸来检验数值解的独立性。因此，考虑到精度和时间，在数值中使用60980 cells。

以下是本数值研究的假设:(石蜡的热物性随温度的变化而变化;（熔化过程中石蜡的液体流动呈层流状;（液体石蜡是牛顿的;（)忽略粘性耗散;（由于熔化而引起的体积变化被忽略了。

焓 - 孔隙率技术[8，9[用于建模熔融过程，其中未明确跟踪液体固体界面。相反，基于焓的平衡计算液体分数在每次迭代时计算。

焓计算为合理焓的总和，，和潜热，［9，14]: 在哪里 和是参考焓，是参考温度，和是恒压比热。

液体分数，，被定义为 现在可以编写材料的潜热含量如下： 在哪里为物质的潜热。

材料的潜热含量可以在零（固体）之间变化(液体)。

对于熔化问题，能量方程被写为 在哪里表示PCM的焓，是密度,是为了速度，是温度,导热系数，和为体积热源项，在本研究中为零[10］.

为了解石蜡的热特性，利用氧化铝(Al . Al .)对石蜡进行了差热分析(DTA)₂O_3.)，加热速率设置为1°C/min。如表所示，已成功获得摘要1．

石蜡的密度和粘度取决于它的温度。通过将其值绘制为温度函数，得到的数据如图所示4和5．

3.结果和讨论

将模型的数值分析结果与实验结果进行对比验证。温度分布的比较，，及在喷嘴和壳模型上显示在图中6．从图中可以看出，数值结果与实验结果具有相同的规律，尽管数值不同。这是因为在实验研究中采用了绝缘体来减少壳体壁向环境的传热，而在数值研究中，壳体是绝热的。

实验开始前，将水在水浴中煮沸，直至达到330 K的温度。在加热过程中，管道发生传导，使石蜡的温度升高，使石蜡的值，，及在熔融过程中，石蜡向环境的传热仍然发生，这导致了，，及在熔化过程结束时，密度差导致温度较高的液体石蜡位于外壳顶部，因此是最高的，其次是和,分别。总的来说，数值方法和实验方法在总体上是一致的。因此，接下来的讨论使用了数值分析的数据。

作为数值研究的结果，在喷嘴和壳模型的熔融过程中，石蜡的温度分布如图所示7(一)．初始温度，，及是相同的。其次，在不同的时间温度都有升高玫瑰第一，然后是和,分别。在这段时间内，传热是传导的，靠近喷嘴表面某一点的温度增加得更快。

石蜡吸收热量，使初始温度升高至熔化温度。热量以显热的形式储存，因为测量点的温度随着时间的推移而上升。然后石蜡开始从固体变成液体，因为吸收的热量被用来相变，随着时间的推移，温度趋于恒定，热量以潜热的形式储存。之后石蜡温度发生变化，利用吸收的热量提高石蜡温度，直到与热壁温度一致。

管壳模型的温度分布与喷嘴壳模型的温度分布有所不同(图)7 (b)).早期加热过程中的温度升高是同步的，如图所示，，及所有的一致。这是因为管壁上所有的测温点之间的距离相同，所以在传导开始时，所有点的温度都是均匀的。然后,首先增加，因为石蜡的熔化过程在顶部。后达到了熔化温度，然后是和,分别。石蜡熔化后，温度再次升高，直至与热壁温度相等。

减速器和壳模型的温度分布（图7 (c))也与喷嘴-壳模型和管-壳模型有所不同。加热过程开始时的温度升高并不是同时发生的。的温度首先提高，及,分别。这是由于测量点朝向减速机表面的距离不同，其中的距离靠近减速机的表面是最近的，其次是和. 由于液体石蜡浮力的影响，壳体顶部的温度急剧升高，并导致加热至温度与热壁温度相同，然后加热和,分别。

数字8显示了喷嘴和壳体、管和壳体以及减速器和壳体模型上液-固界面的比较。该图是根据不同时刻垂直切片中液体分数等值线的可视化结果得到的。在熔化过程开始时，它以传导为主，表现为平行于热壁的液-固界面。液体石蜡平行于热壁上升，因为密度不同，聚集在顶部，导致顶部温度升高。熔化过程首先发生在顶部，然后液体石蜡沿着固体表面向下移动，同时释放热量。液体石蜡的上下运动形成了内部对流流动，此时传热以对流为主。总体而言，喷嘴和壳体模型的熔化过程最快，其次是管壳模型和异径管壳模型。

蓄热的一个重要参数是充电时间，充电时间定义为热系统储存能量所需的时间。可以用液体馏分图来表示，如图所示9．液体馏分是液体的量与石蜡的总量的比较;如果这个值等于1，说明所有的石蜡都已经变成了液体。在管壳模型中，喷嘴-壳模型的液相分数比管壳模型的液相分数先达到1。由数值结果得到的数据可知，喷嘴-壳模型达到液体分数等于1所需的时间为6130 s，管壳模型为8219 s，还原剂-壳模型为12280 s。与管壳模型相比，喷嘴壳模型速度快15.3%，减速器壳模型速度慢49.5%。

虽然总的来说，喷嘴和壳体模型的液体分数比管壳模型快，但在工艺开始时，喷嘴和壳体模型的液体分数并不是更快，因为早期熔融阶段的对流效应不是主要的；在此之后由于喷嘴形式的热壁，对流随着液体分数的增加而变得越来越强。相比之下，热壁形式为异径管的异径管和壳模型显然不能增加对流。

数字10显示了三种模型的Nusselt数；Nusselt数从一个相对较大的值开始。此后，Nusselt数在传导的这一阶段迅速下降。开始发生熔化过程，但没有流体运动。此后，从传导过渡到对流，液体开始移动，因为密度的差异。接着是强对流，最后是消失的对流，所有的石蜡都变成了液体。

3种模式的强对流时间长短存在一定差异。对于喷嘴和外壳模型，它从400秒开始，结束于2400秒，它是2000秒。管壳模型是1450年。对于减速器和外壳模型，时间是1750年。而在消失对流中，还原壳模型的对流时间最长，管壳模型的对流速度较快，喷嘴壳模型的对流速度最快。

为了进一步解释强对流的发生，将Nusselt数与液固界面的数据进行关联，如图所示11．在液体固体界面持续最长的时间内发生了强烈对流的变化。线从左下角开始，并在右上角结束。强对流区域中的液体固体界面纵向增加。同时，在消失的对流区域中，液体固体界面变得越来越短。

4。结论

在喷嘴-壳体模型、管-壳体模型和还原剂-壳体模型上石蜡的温度分布有不同的规律。这种差异是在熔化过程开始时由测量点到热壁的距离引起的。测量点与热壁的距离较近，导致温度升高较快。

熔化过程是由靠近热壁的石蜡引起的。在此之后，由于密度不同，液体石蜡平行于热壁上升。它聚集在外壳的顶部，导致顶部的温度变得更高。因此，熔化过程首先发生在外壳的顶部。

当所有的石蜡都已经变成液体时，熔化过程就结束了。首先完成了喷嘴-壳模型，然后分别完成了管-壳模型和减速器-壳模型。与管壳模型相比，喷嘴-壳体模型速度快25.3%，减速管-壳体模型速度慢49.5%。

喷嘴-壳模型的强对流时间最长，其次是管-壳模型和还原剂-壳模型。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者感谢DRPM Ristekdikti通过研究基金no。006 / SP2H / LT / DRPM / II / 2016。

参考

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