CN115111950A - 正弦波纹三套管相变蓄热装置 - Google Patents

正弦波纹三套管相变蓄热装置 Download PDF

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CN115111950A CN202210733345.2A CN202210733345A CN115111950A CN 115111950 A CN115111950 A CN 115111950A CN 202210733345 A CN202210733345 A CN 202210733345A CN 115111950 A CN115111950 A CN 115111950A
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杜军
任繁
张东兴
余夏欣
邵震宇
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Abstract

本发明公开了一种正弦波纹三套管相变蓄热装置，包括外套管壳体、中间套管壳体以及内管壳体，所述内管壳体和中间套管壳体基于正弦函数外形设置，外套管壳体和中间套管壳体之间存放PCM蓄热材料，内管里存放PCM蓄热材料，中间套管壳体和内管壳体之间形成HTF流道，HTF通过所述HTF流道将热量传递给两侧的PCM蓄热材料，PCM蓄热材料熔化，利用相变潜热储存能量，需要时再释放。本发明结构紧凑、加工方便、成本低廉，通过将正弦波纹管和相变蓄能技术两者进行结合，设计出正弦波纹套管的相变储热单元，利用数值仿真，得到相变储热单元的热性能、流体性能以及不同雷诺数下正弦函数型套管的储热性能，更好的解决了HTF和PCM换热效率低得问题。

Description

正弦波纹三套管相变蓄热装置
技术领域
本发明涉及一种相变蓄热装置，尤其涉及一种换热效率高的正弦波纹三套管相变蓄热装置。
背景技术
热储能技术是以储热材料为媒介，将太阳能光热、工业余热、低品位废热和谷电等清洁能源换为热能储存起来，在需要的时候释放，以解决由于时间、空间或强度上的热能供给与需求间不匹配所带来的问题，来显著提高能源利用率。在管壳式换热器中使用相变材料(PCM)是目前工业上最常见的一种蓄热技术，在这种壳管式潜热储存系统中(LHTES)，壳内填充PCM，管内流入低温高温的换热流体(HTF)进行充热或放热。
金属波纹管是一种外型像波浪一样的管材，由于波纹管在管槽内的二次涡流扰动了热边界层，破坏了管槽内部的的水流速度边界层，因此可以用来强化换热而被广泛应用在工业领域的热力系统中。近年来，由于能源问题的凸显，使得换热领域的波纹管研究得到了蓬勃发展。目前通过实验和数值仿真已经有了许多的研究成果，这也使得波纹管的热性能得到了深入的研究。通过对之前的研究文献进行查阅发现波纹管的热性能受各种因素影响，例如雷诺数效应，普朗特数效应，壁面摩擦因子影响，入口效应，相变流影响，非牛顿流体流动，多相流的流动，使用波纹管的换热器的综合换热性能，节距与管径之比，波峰与周期和努塞尔数之比的影响等。综合考虑所有的研究情况可以发现，在热性能方面：波纹周期的增加使得管槽内的速度梯度发生往复性变化，导致波纹结构对流体产生了反向作用力，引起流体的二次扰动，正弦函数周期性的变化，破环了边界层，使传热得到强化，但是改变波纹的峰高和周期，会增大系统的能量损失，如何选择最佳组合使储热系统的换热效率大幅提高，是亟需要解决的问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种换热效率高的正弦波纹三套管相变蓄热装置。
技术方案：本发明包括外套管壳体、中间套管壳体以及内管壳体，所述内管壳体和中间套管壳体基于正弦函数外形设置，外套管壳体和中间套管壳体之间存放PCM蓄热材料，内管里存放PCM蓄热材料，中间套管壳体和内管壳体之间形成HTF流道，HTF 通过所述HTF流道将热量传递给两侧的PCM蓄热材料，PCM蓄热材料熔化，利用相变潜热储存能量，需要时再释放。
进一步地，所述内管壳体和中间套管壳体基于正弦函数外形设置，波形满足：
Figure RE-GDA0003775073390000021
其中a为波纹的波峰高，S为正弦波纹管的周期，；b为波纹沿水平轴的平移距离，假设波纹起始点为原点，则b＝0。
进一步地，所述相变潜热储存能量的评价模型如下：
用熔化率f表示已熔化的PCM体积占总PCM体积的比例，
Figure RE-GDA0003775073390000022
其中vPCM为PCM总体积，λ为PCM在不同阶段的液相率，A为PCM底面面积；
储热单元的理论储热总量QPCM包括PCM储热量和壳体储热量，由于壳体所占的比例很小忽略不计，根据PCM的熔化特性，储热量分为固态显热、潜热和液态显热储热量，可以表示为：
QPCM＝mpcm[CP，S(Tm-Tini)+ΔH+CP，l(Th-Tm)]
其中Tini、Tm和Th分别为初始温度、相变温度和加热温度，mpcm为相变材料量，CP，S和CP，l为分别为固相和液相的比热，ΔH为潜热焓；
平均热流密度q是充热过程中单位时间内管道单位面积的换热量，表示为：
Figure RE-GDA0003775073390000023
其中tz为充热时间，Atube和Afin分别为管道与PCM接触表面积和肋片面积；
管道阻力系数公式为：
Figure RE-GDA0003775073390000024
其中d为管道当量直径，l为管长，ΔP为管道的进出口压差，ρ为流体密度。
正弦管道长度公式为：
Figure RE-GDA0003775073390000025
其中a为波纹的波峰高，S为正弦波纹管的周期，；b为波纹沿水平轴的平移距离，假设波纹起始点为原点，则b＝0。
进一步地，所述PCM蓄热材料为结晶水合盐类、石蜡或脂肪酸类相变材料。
进一步地，所述外套管壳体外圈包裹有保温材料。
进一步地，所述HTF流道两端设置有密封盖板，所述密封盖板与中间套管壳体、内管壳体之间通过密封圈密封。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：结构紧凑、加工方便、成本低廉，通过将正弦波纹管和相变蓄能技术两者进行结合，设计出正弦波纹套管的相变储热单元，利用数值仿真，得到相变储热单元的热性能、流体性能以及不同雷诺数下正弦函数型套管的储热性能，并对其结构参数进行优化，更好的解决了HTF和PCM换热效率低得问题，是一种新颖的潜热储存方法。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为本发明的剖视图；
图3为正弦波纹套管流线图；
图4为普通直套管与正弦波纹套管PCM平均温度熔化对比图；
图5为套管结构对热性能的影响；
图6为套管结构对阻力系数和压降的影响；
图7为不同雷诺数的套管C11热物理量对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明包括PCM蓄热材料1、HTF流道2、外套管壳体3、中间套管壳体4以及内管壳体5，所述内管壳体5和中间套管壳体4基于正弦函数外形设置，外套管壳体3和中间套管壳体4之间存放PCM蓄热材料1，内管里存放PCM蓄热材料1，中间套管壳体4和内管壳体5之间形成HTF流道2，通过将HTF中的热量传递给套管两侧的PCM，最后将PCM熔化使其利用潜热来储存能量而后在需要的地方释放出来。
如图1所示，由于蓄热单元是中心对称模型，为了简化计算，将潜热系统的一半简化为图2所示的二维截面图，在三套管的二维简化图中，宽L1为146mm，长L2为1m、 HTF流道管径50mm、内径40mm，壁厚m为5mm。本仿真选择RT55为PCM材料， RT55无毒无腐蚀，常用于工业生产中。管道设置铜材料，各套管熔化特性参数如表1 所示。此处选择的波纹管为正弦型波纹管，即波形满足式中：
Figure RE-GDA0003775073390000031
式中，a为波纹的波峰高，单位mm；S为正弦波纹管的周期，单位mm；b为波纹沿水平轴的平移距离，单位mm，本文所用的波纹起始点为原点，即b＝0。为使流体在计算域内充分发展，在波纹段选取多个周期S。同时，为了避免进/出口流体的影响，两侧各设置50mm长的直管段，波纹套管结构如图1所示，表2是各个套管的结构参数，其中管长L指的是波纹套管的弧长总长度。
当入口流速为0.5m/s，设置了表1中几组不同型号的波纹管。正弦型波纹管的流速等值线如附图3所示，在相同入口流速下，随着正弦型波纹管的a/S减小(a不变为15mm， S增大)，波纹管的最高水流速度在不断降低，说明波纹周期S对套管流速呈负相关，并且正弦管道波纹周期S越大，正弦波纹管的二次绕流越弱；随着正弦型波纹管的a/S 增大(S不变为100mm，a增大)，套管最高速度在不断升高，说明波峰高a对套管流速呈正相关，并且波峰高a增大，正弦型波纹管波峰处的二次绕流涡线逐渐增多。因此，正弦型波纹管内流体在波峰处有明显的二次涡流，可以减小边界层的厚度，同时也增加了流体的湍流程度，从而强化了套管换热。另外，当a/S≥0.15时，正弦型波纹管波峰处二次流涡线显著增密。
评价指标方案如下：用熔化率f表示已熔化的PCM体积占总PCM体积的比例，
Figure RE-GDA0003775073390000041
其中vPCM为PCM总体积，λ为PCM在不同阶段的液相率，A为PCM底面面积；
储热单元的理论储热总量QPCM包括PCM储热量和壳体储热量，由于壳体所占的比例很小忽略不计，根据PCM的熔化特性，储热量分为固态显热、潜热和液态显热储热量，可以表示为：
QPCM＝mpcm[CP，S(Tm-Tini)+ΔH+CP，l(Th-Tm)]
其中Tini、Tm和Th分别为初始温度、相变温度和加热温度，mpcm为相变材料量，CP，S和CP，l为分别为固相和液相的比热，ΔH为潜热焓；
平均热流密度q是充热过程中单位时间内管道单位面积的换热量，表示为：
Figure RE-GDA0003775073390000042
其中tz为充热时间，Atube和Afin分别为管道与PCM接触表面积和肋片面积；
管道阻力系数公式为：
Figure RE-GDA0003775073390000043
其中d为管道当量直径，l为管长，ΔP为管道的进出口压差，ρ为流体密度。
正弦管道长度公式为：
Figure RE-GDA0003775073390000044
其中a为波纹的波峰高，S为正弦波纹管的周期，；b为波纹沿水平轴的平移距离，假设波纹起始点为原点，则b＝0。
利用上文的评价方案：
(1)如图4所示，正弦波纹三套管在相比普通三套管的PCM平均温度有所增加，但完全熔化时间有所减少，综合储热量对比发现波纹套管的蓄热量在相同时间8000s内均大于普通套管。
(2)如图5所示，可以看出波纹周期在低于120mm，波峰高大于15mm的区域温度显著较大，传热效果最佳。波纹周期不变的情况下，波峰高越高充热时间越长，相同时刻平均温度越高。随着波峰高从a＝10mm增加到a＝20mm，PCM完全熔化时间延长 24.07％、储热量增加1.97％、储热温度升高1.75％，热流密度下降2.53％左右。波峰高不变情况下，波纹周期越短，则充热时间越短，相同时刻平均温度越高。随着S＝200mm 减少到S＝90mm，PCM完全熔化时间减少16.97％、储热量增加了4.43％、储热温度增加了2.36％、平均热流密度降低了2.09％。
(3)如图6所示，可以看出当波纹周期恒定，波峰高从a＝10mm增加到a＝20mm 时，压降上升96.39％、阻力系数上升86.52％，管长增加5.03％。当波峰高恒定，S＝200mm 减少到S＝90mm，压降上升至6.08倍、阻力系数上升至5.39倍，管长增加12.95％。综合评价，波纹周期在100mm-150mm之间，波峰高在15mm左右的正弦管道对流动换热综合性能影响最佳。
(4)如图7所示，可以看出正弦波纹套管对称结构的改变对正弦管道热性能影响较小，但是雷诺数越大，PCM的平均温度相应增大，并且当Re大于1.994×104时，温度变化缓慢，阻力系数变化缓慢。
表1套管熔化特性参数
Figure RE-GDA0003775073390000051
表2套管结构参数
Figure RE-GDA0003775073390000061

Claims (6)

1.一种正弦波纹三套管相变蓄热装置，其特征在于：包括外套管壳体(3)、中间套管壳体(4)以及内管壳体(5)，所述内管壳体(5)和中间套管壳体(4)基于正弦函数外形设置，外套管壳体(3)和中间套管壳体(4)之间存放PCM蓄热材料(1)，内管里存放PCM蓄热材料(1)，中间套管壳体(4)和内管壳体(5)之间形成HTF流道(2)，HTF通过所述HTF流道(2)将热量传递给两侧的PCM蓄热材料(1)，PCM蓄热材料(1)熔化，利用相变潜热储存能量，需要时再释放。
2.根据权利要求1所述的正弦波纹三套管相变蓄热装置，其特征在于：所述内管壳体(5)和中间套管壳体(4)基于正弦函数外形设置，波形满足：
Figure FDA0003712313340000011
其中a为波纹的波峰高，S为正弦波纹管的周期，；b为波纹沿水平轴的平移距离，假设波纹起始点为原点，则b＝0。
3.根据权利要求1所述的正弦波纹三套管相变蓄热装置，其特征在于：所述相变潜热储存能量的评价模型如下：
用熔化率f表示已熔化的PCM体积占总PCM体积的比例，
Figure FDA0003712313340000012
其中vPCM为PCM总体积，λ为PCM在不同阶段的液相率，A为PCM底面面积；
储热单元的理论储热总量QPCM包括PCM储热量和壳体储热量，由于壳体所占的比例很小忽略不计，根据PCM的熔化特性，储热量分为固态显热、潜热和液态显热储热量，可以表示为：
QPCM＝mpcm[CP，S(Tm-Tini)+ΔH+CP，l(Th-Tm)]
其中Tini、Tm和Th分别为初始温度、相变温度和加热温度，mpcm为相变材料量，CP，S和CP，l为分别为固相和液相的比热，ΔH为潜热焓；
平均热流密度q是充热过程中单位时间内管道单位面积的换热量，表示为：
Figure FDA0003712313340000013
其中tz为充热时间，Atube和Afin分别为管道与PCM接触表面积和肋片面积；
管道阻力系数公式为：
Figure FDA0003712313340000014
其中d为管道当量直径，l为管长，ΔP为管道的进出口压差，ρ为流体密度。
正弦管道长度公式为：
Figure FDA0003712313340000021
其中a为波纹的波峰高，S为正弦波纹管的周期，；b为波纹沿水平轴的平移距离，假设波纹起始点为原点，则b＝0。
4.根据权利要求1所述的正弦波纹三套管相变蓄热装置，其特征在于：所述PCM蓄热材料(1)为结晶水合盐类、石蜡或脂肪酸类相变材料。
5.根据权利要求1所述的正弦波纹三套管相变蓄热装置，其特征在于：所述外套管壳体(3)外圈包裹有保温材料。
6.根据权利要求1所述的正弦波纹三套管相变蓄热装置，其特征在于：所述HTF流道(2)两端设置有密封盖板，所述密封盖板与中间套管壳体(4)、内管壳体(5)之间通过密封圈密封。
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