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文|可乐

编辑|可乐

在过去的十年中，潜热储能装置（LHTES）的热传递优化一直是广泛研究的课题之一，而采用翅片增强相变材料（PCM）中的热传递已被证明是一种有效的方法。

在这些研究中，很少考虑到机械振动对LHTES系统的影响。机械振动在实际应用中是不可避免的，因此了解其对PCM熔化过程的影响至关重要。.

为了填补这一研究领域的空白，本研究使用数值模拟方法探讨了机械振动对水平壳管型潜热储能系统中PCM的熔化过程的影响，并研究了机械振动的振幅和频率对这一过程的影响。

太阳能热储能技术与机械振动的研究

随着人们生活水平的提高和科技的快速发展，人类社会对电力的消耗越来越大，导致了对化石燃料的过度开采。

来自化石燃料的温室气体排放导致全球变暖，对环境产生了负面影响，在不久的将来，化石燃料的短缺是不可避免的，因此世界各国正在寻找可再生能源来替代化石燃料。

在所有可再生能源中，太阳能具有巨大的潜力，太阳热能可以满足建筑供暖、工业热能消耗、家庭热水、烹饪加热等需求。

然而太阳能具有间歇性的缺点，因此提高太阳热能储存效率是提高太阳能利用的有效途径。

感热储能和潜热储能是存储热能的两种主要方法，相同体积内的相变材料（PCM）的潜热热容是感热的5-14倍，由于其巨大的能量储存能力，潜热储能的研究引起了研究者的广泛关注。

潜热储能技术利用PCM的熔化和凝固过程来积累和释放热量，非常有趣的是它们可以吸收大量热量而不会引起大幅度的温度变化。

潜热储能的常见方法之一是使用垂直或水平壳管能量存储系统，专家指出，超过70%的LHTES使用壳管式热交换器。

壳管式热交换器中的PCM被封装在内管和外管之间，当热传递流体（HTF）流经内管时，通过内管壁，PCM和HTF之间发生热交换。

当HTF的温度高于PCM的温度时，PCM从HTF吸收热量，PCM从HTF吸收热量的过程也被称为充电过程。

HTF从PCM吸收热量的过程称为放电过程，然而，PCM的低热导率已经成为限制LHTES技术发展的主要因素之一。

随着雷诺数的增加，熔化前缘半径增加，表明热传递速率随HTF质量流速的增加而增加。

质量流速对PCM的储能容量影响微乎其微，而热传递速率随着质量流速的增加而增加，从而减少了充电时间和放电时间。

PCM的热传递速率与热交换器的放置方式有关，随后调查了具有水平和垂直放置的壳管式热交换器中PCM的热性质。

石蜡相变储能系统的数值模拟和分析研究

本研究中对低频机械振动的研究提出了一个在LHTES系统模拟中容易忽略的影响因素，使模拟更贴近工程实践。

本研究的结果显示了使用机械振动增强PCM传热的可能性，并对相关应用具有一定的参考价值。

关于仿真模型描述和模型的边界条件，本文的对象是一个水平放置的壳管式潜热储能系统，其内部管道外壁表面铺有相同结构尺寸的六个铜纵向翅片，研究对象以垂直截面为基础。

考虑到物理模型的对称性，将研究模型的一半建立为计算域，内管的半径（r1）为11.5毫米，外壳的半径（r2）为25毫米。

内管的厚度为1毫米，翅片的长度为10毫米，厚度为1毫米，内管和翅片的材料为铜，石蜡被作为PCM，PCM的热物性参数。

在建立数学模型之前，采用以下假设简化了物理模型和后续计算：外管壁对外部是绝热的，PCM液体流动为层流，从固体到液体的PCM体积变化可以忽略不计。

在考虑自然对流效应时，数值模拟需要采用布伦特斯假设，对于大多数自然对流，只要实际密度变化较小，这个假设可以被视为一个准确的近似。

由于石蜡液体和固体相的物理性质不同，为了提高计算结果的准确性，将石蜡的比热容和热导率分段设置。

在FLUENT材料属性参数设置中，选择“分段线性”选项来完成分段设置，纯液相区域和纯固相区域的物理性质参数分别是常数，在两相过渡区域进行线性化计算。

从热传递的角度来看，石蜡熔化过程中的固液相问题的本质是相变传热，也称为Stefan问题。

对于相变材料来说，所谓的固液相分界区实际上是一个具有一定厚度的两相过渡区域。

当石蜡融化或凝固时，相变区伴随着潜热的吸收或释放，在相变过程中，由于石蜡的密度随温度变化而变化，液相区域与相变区域之间发生自然对流。

相变过程中最困难的问题是如何及时追踪相界面，FLUENT软件用于熔化/凝固问题的方法采用焓-孔隙度技术，该技术引入了液相分数来间接描述固液界面的变化过程，并能处理等温和非等温相变问题。

液相分数是整个热储存单元中液相区域的比例，可以通过焓平衡计算得出，同时在动量方程中添加了合理的源项以解决相变过程中的压降问题。

焓法同时使用PCM的温度和焓作为解的变量，以便在整个区域（包括液相、固相和相变过渡区域）上建立统一的能量方程，首先找出焓分布，然后基于已知的温度和焓之间的关系，获得节点的温度。

相变储能系统中机械振动对PCM熔化过程的影响

在这个部分中，通过数值模拟研究了在不同机械振动条件下六翅横向壳管型相变储能系统中PCM的熔化过程。

对PCM温度、液相分数、Nu 数和速度等参数进行了分析，以揭示机械振动对热传递效率、熔化速率和熔化面积的影响机制。

我们还研究并比较了振幅和频率变化对PCM熔化过程的影响，以找出振幅和频率影响的差异。

关于机械振动振幅的影响，在不同振幅条件下 PCM 液相分数随时间的变化，可以看出这些曲线的变化可以分为三个阶段：快速、中等和缓慢，这意味着PCM的熔化过程也可以分为这三个阶段。

机械振动对液相分数模式的整体变化影响不大，但大大缩短了PCM的总熔化时间，且在不同振动条件下，PCM的熔化速率提高了50%以上，这表明机械振动对PCM的熔化速率有很大影响，不能在相关研究中忽视其存在。

而对于不同振幅对PCM充电过程中温度的影响，本研究中PCM温度变化曲线也分为几个不同阶段。

在熔化开始时，PCM温度迅速上升，这主要是由于PCM与翅片之间的温差大造成的强热传递，然后，温度上升减缓。

因为PCM具有在相变过程中吸收大量热量而温度变化很小的特性，最后，温度变化率减小，PCM与翅片之间的温差很小。

石蜡相变过程的液相分数和速度分布在不同振幅条件下显示出来，在不同振动条件下，PCM液相分数的轮廓随时间变化相似。

PCM的下半部分的熔化速率明显高于上半部分，这是翅片和自然对流效应的综合影响结果。

比较不同振幅条件下的PCM液相分数轮廓，可以看出，机械振动增加了PCM的熔化区域，使其更加不规则，这种现象在区域的下半部分更为明显。

熔化区域是PCM固液相之间的糊状区域，因此熔化区域的增加意味着PCM固液相之间的热传递面积增加。

在没有振动的情况下，管道内的浮力产生了一个强烈的环流区域，机械振动增加了液态PCM的流动速率，也改变了由自然对流引起的速度分布规律，机械振动下PCM液态相的速度分布更加均匀且较大的在翅片处。

增加的速度和速度分布模式意味着机械振动增加了液态PCM和固态PCM以及翅片之间的对流传热。

机械振动广泛存在于LHTES系统中，对许多材料的热传递有重要影响，然而在LHTES中，关于机械振动对PCM充电过程的影响的研究较少。

为了填补这一领域的研究空白，本研究采用数值模拟方法研究了机械振动对六翅壳管式热交换器中PCM熔化过程的影响。

在本研究中，研究了熔化过程中的Nu、温度、液相分数和速度等重要参数。

通过这次数值模拟研究，得出以下几点结论：

机械振动可以显著增强PCM的热传递，因此大大缩短了其熔化时间，在振幅为10毫米和频率为1赫兹的条件下，PCM的熔化时间缩短了46.6%。

机械振动通过两种主要机制显著增强PCM的热传递，这两种机制与液态PCM的速度密切相关：固液PCM之间的接触面积增加；固液PCM之间的对流传热强度增加。

增加机械振动的振幅或频率可以进一步增强PCM的热传递，但随着振幅或频率的增加，增强效率逐渐降低。

本研究通过数值模拟深入探讨了机械振动对PCM熔化过程的影响，结果表明，机械振动可以显著增强PCM的热传递效率，大大缩短了熔化时间。

研究还揭示了机械振动对PCM熔化的影响机制，包括增加固液PCM之间的接触面积和增强对流传热强度。

这些研究结果为LHTES系统的设计和优化提供了有价值的参考，也为利用太阳能等可再生能源提供了更高效的储能解决方案。