抛物槽式真空管太阳能集热器强化相变蓄热的模拟研究.pdf

云南师范大学学报(自然科学版),2 0 2 4,4 4(1):5-8 h t t p s:/q k g j.y n n u.e d u.c nJ o u r n a l o fY u n n a nN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e sE d i t i o n)D O I:1 0.7 6 9 9/j.y n n u.n s-2 0 2 4-0 0 2抛物槽式真空管太阳能集热器强化相变蓄热的模拟研究*罗凯怡,张勇*(东北石油大学 物理与电子工程学院,黑龙江 大庆1 6 3 3 1 8)摘要:为了提高抛物槽式真空管太阳能集热器相变材料导热性能,设计了一种相变材料埋置金属泡沫与半圆管型强化换热结构相结合的真空管太阳能集热器,利用F L U E N T软件对其蓄热过程中的传热进行了数值模拟,分析了热流密度分布非均匀的情况下在相变材料中集成翅片和金属泡沫对相变材料液态分数的影响.关键词:抛物槽式太阳能集热器;蓄热;相变材料;翅片;金属泡沫中图分类号:T K 5 1 3.1 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 7-9 7 9 3(2 0 2 4)0 1-0 0 0 5-0 41 引言太阳能热利用是一种重要的可再生能源应用形式,对全球能源可持续发展、碳达峰与碳中和战略目标的实现具有重要意义1-2.近年来,将蓄热技术融入真空管太阳能集热器(E T S C)成为缓解太阳能利用间断性、提高系统热效率的有效途径,相变材料(P CM)具有优越的储能能力,将其与金属泡沫和翅片组合应用于E T S C进行储热受到越来越多的研究者关注,但由于P CM的导热系数和扩散系数一般都比较低,在真空管内部的P CM熔化不完全,不能最大程度地发挥其储热能力3-9;这种情况在集成抛物面反射镜的抛物槽式E T S C中将更为明显,因抛物面反射镜的聚光能力使得吸热管壁的周向温差更大.研究表明P CM与翅片和金属泡沫集成可以有效改善其导热性能1 0,液态分数是确定P CM处于何种状态(固态、液态或者固液共存)、衡量其储能多少的直观指标,因此本研究利用S o l t r a c e建立 抛 物 槽 式E T S C的 光 学 仿 真 模 型,采 用F L U E NT模拟研究了在真空管内填充P CM且集成金属翅片或金属泡沫时,P CM液态分数的变化.2 模型建立及模拟实验2.1 物理模型抛物槽式真空管太阳能集热器系统由抛物面反射镜、玻璃真 空 管 和 铜 管 组 成1 1,传 热 流 体(HT F)流经铜管内的环形空间循环吸收热量.一般在玻璃真空管和铜管间填充P CM,本文将在P CM中埋置金属泡沫和翅片,以改善P CM导热性能.E T S C系统的几何参数和HT F热物理性质见参考文献8.2.2 数学模型基于文献9 的数学模型,探究P CM嵌入金属泡沫、翅片的E T S C内部传热,考虑了以下假设:1)HT F为牛顿流体,不可压缩,具有恒定的热物理性质1 2,质量流量设为0.0 0 3k g/s;2)P CM和金属泡沫都具有均匀性和各向同*收稿日期:2 0 2 3-0 7-2 1基金项目:东北石油大学科技成果产业化培育基金资助项目(1 5 0 1 1 2 1 0 8 0 1).作者简介:罗凯怡(1 9 9 9-),女,江西宜春人,硕士研究生,主要从事太阳能利用系统设计方面研究.通信作者:张勇.E-m a i l:d q p i z y 1 6 3.c o m.性,P CM与金属泡沫之间为热平衡9;3)忽略系统的热阻,假定流体流动为层流.热损失是恒定的,E T S C吸收的净太阳辐射是入射太阳辐射的8 0%8.P CM/金属泡沫复合材料的热物理性质见文献1 0-1 1.HT F、翅片和P CM的区域初始温度设为2 5.设定如下边界条件:1)E T S C内部不同区域之间的界面为热耦合边界9;2)对于E T S C的真空管底部管壁,太阳热通量随时间变化通过F L U E NT软件中自带的表达式功能施加1 3.2.3 模拟实验为系统考察不同集成情况下P CM导热性能的变化,设计以下模拟实验,利用F L U E NT模拟研究了P CM液态分数的变化.实验(1):真空管仅填充P CM;实验(2):在实验1基础上,在P CM中添加金属泡沫;实验(3):在实验2基础上,安装1 2个1mm厚,内半径1 0mm,外半径1 9mm的环形铜翅片.利用S o l t r a c e获得E T S C系统真空管圆周热流密度分布,如图1所示,真空管下表面的入射通量等于太阳辐射的9 7%,上表面的入射通量仅为3%.图1 真空管圆周向角热流密度分布F i g.1 C i r c u m f e r e n t i a l a n g u l a rh e a t f l u xd i s t r i b u t i o no fv a c u u mt u b e图2为当前热 流密度分布 下,3组实 验中P CM液态分数随时间的变化情况.相比实验(1),在接收太阳辐照、P CM液态分数上升阶段,添加金属泡沫显著改善了P CM的内部传热性能,液态分数上升速度加快,达到液态分数最大值的时间点提前,储存的热能也较多,因而在热能释放、液态分数下降阶段,实验(2)相比实验(1)液态分数下降得更快,热能释放更充分;安装翅片能够缓解因相变材料密度差而出现的熔化死区问题7,实验(3)相比实验(2)能够储存更多热能,因此液态分数上升更快,但在下降阶段液态分数仍高于实验(2).值得注意的是,所有实验的P CM液态分数峰值均未达到1,表明强化换热措施不足以使P CM最大限度地储存热能.图2 三组实验中P CM液态分数变化F i g.2 C h a n g e so f l i q u i d f r a c t i o no fP CMi n t h e t h r e ee x p e r i m e n t s2.4 半圆管型强化换热结构设计针对P CM无法全部融化的问题,基于文献8 指出的随着翅片厚度的增加和翅片间距的减小,石蜡的熔化时间缩短,翅片间距对相变储能系统整体换热性能的影响大于翅片厚度的影响的仿真分析结论,由于太阳辐射主要集中在真空管底部(见图1),本研究设计了一种半圆管型强化换热结构,在距离真空管底部壁面上方1 2mm处安装内半径1 6mm,外半径1 7mm,长5 7 1mm的半圆管型强化换热结构来提高P CM内部导热性.图3对比了安装半圆管型强化换热结构和实验(3)的P CM液态分数变化.由图3可知,安装半圆管型强化换热结构后,P CM液态分数高于实验6云南师范大学学报(自然科学版)第4 4卷(3),确实提高了相变储能系统的整体传热性能.作为对比,图中还给出了将半圆管强化换热结构换成圆管的结果,部分时段P CM完全熔化,为直观观察这种差异的效果,图4给出了3组实验下HT F出口温度随时间的变化,液态分数提高的同时也提高了HT F的出口温度;在P CM液态分数上升阶段,仅在1 50 01 80 0间,圆管强化换热结构相比半圆管强化换热结构温度差距较大,但不超过6K;但在P CM液态分数下降阶段,尤其是在末期,半圆管强化换热结构相比实验(3),HT F出口温度提升明显,将其替换为圆管强化换热结构,提升较小,这主要是因为对于抛物槽式E T S C,太阳辐射主要集中在真空管底部.图3 液态分数变化F i g.3 L i q u i df r a c t i o nc h a n g e s图4 HT F出口温度随时间的变化F i g.4 C h a n g eo fHT Fo u t l e t t e m p e r a t u r eo v e r t i m e2.5 金属泡沫类型和孔密度的影响将半圆管强化换热结构安装在真空管底部,探究不同金属泡沫和泡沫孔密度对P CM液态分数的影响,如图5所示;相同孔密度下,选用铜制金属泡沫,P CM熔化较快,而对于不同孔密度的铜金属泡沫,添加1 0P P I的泡沫金属,P CM熔化最快;因此,添加的铜金属泡沫的最佳孔密度为1 0P P I,此时导热性能最好.图5 不同泡沫类型和孔密度对P CM液态分数的影响F i g.5 T h ei m p a c to fd i f f e r e n t f o a mt y p e sa n dp o r ed e n s i t i e so nt h e l i q u i df r a c t i o no fP CM3 结语对抛物槽式真空管太阳能集热器(E T S C)系统P CM传热过程进行了数值模拟研究,设计了一种半圆管型强化传热结构,并考虑了镍和铜两种金属泡沫,探讨了3种泡沫孔密度对P CM导热性能的影响,得出以下结论:(1)金属泡沫和翅片的复合传热使P CM导热能力加强,储存了更多热能.(2)与环形翅片结合金属泡沫的情况相比,在真空管底部安装半圆管型强化导热结构可以显著提升P CM导热性.(3)添加1 0P P I的铜金属泡沫具有最好的热传导性能.参考文献:1 李爱民,余琼粉,李明,等.太阳能干燥装置的结构研究进展及其应用J.云南师范大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 3(4):9-1 8.2 李如剑,吴良豪,付鸿凯,等.一种增大真空管采光面积的方法及其对太阳能热水器性能的影响J.云南7 第1期 罗凯怡,等:抛物槽式真空管太阳能集热器强化相变蓄热的模拟研究师范大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 3(4):1 9-2 1.3 WANG Q,YAN GL,S ON GJ.P r e p a r a t i o n,t h e r m a lc o n d u c t i v i t y,a n d a p p l i c a t i o n s o f n a n o-e n h a n c e dp h a s e c h a n g em a t e r i a l s(N E P CM s)i ns o l a rh e a t c o l-l e c t i o n:ar e v i e wJ.J o u r n a lo fE n e r g y S t o r a g e,2 0 2 3,6 3:1 0 7 0 4 7.4 罗凯,叶伟梁,王艳,等.太阳能生活热水系统相变储能研究进展J.太阳能学报,2 0 2 2,4 3(5):2 2 0-2 2 9.5 刘艳峰,李彤,李勇,等.相变蓄热U型真空管太阳能集热器热性能研究J.太阳能学报,2 0 2 1,4 2(7):2 4 4-2 5 0.6 于静梅,刘耀鸿,张凤忠,等.翅片强化相变储能蓄热性能的数值研究J.太阳能学报,2 0 2 3,4 4(6):7 8-8 3.7 见禹,陈宝明,宫晗语.基于分级结构骨架相变储热系统强化传热特性 J/O L.化工进展:1-2 02 0 2 3-1 2-2 1.h t t p s:/d o i.o r g/1 0.1 6 0 8 5/j.i s s n.1 0 0 0-6 6 1 3.2 0 2 3-1 2 8 5.8 E L A R EM R,A L QAHTAN IT,ME L L OU L IS,e ta l.N u m e r i c a l s t u d yo f a ne v a c u a t e d t u b e s o l a r c o l l e c-t o r i n c o r p o r a t i n gan a n o-P CMa sal a t e n th e a ts t o r-a g es y s t e mJ.C a s eS t u d i e si nT h e r m a lE n g i n e e r-i n g,2 0 2 1,2 4:1 0 0 8 5 9.9 DHAOU M H,ME L L OU L IS,A L R E S HE E D IF,e ta l.N u m e r i c a la s s e s s m e n to fa ni n n o v a t i v ed e s i g no fa ne v a c u a t e dt u b es o l a rc o l l e c t o ri n c o r p o r a t e dw i t hP CMe m b e d d e d m e t a lf o a m/p l a t ef i n sJ.S u s t a i n-a b i l i t y,2 0 2 1,1 3(1 9):1 0 6 3 2.1 0P AWA RVR,S O B HAN S A R B AN D IS.H e a t t r a n s-f e re n h a n c e m e n to f aP CM-p o r o u sm e t a lb a s e dh e a tp i p ee v a c u a t e dt u b es o l a rc o l l e c t o r:a ne x p e r i m e n t a ls t u d yJ.S o l a rE n e r g y,2 0 2 3,2 5 1:1 0 6-1 1 8.1 1G O E L A,MAHA D E V A R,MA N I K G.A n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no fp a r a b o l i ct r o u g hs o l a rc o l l e c t o rt oi m-p r o v e i t so p t i c a l p e r f o r m a n c eJ.J o u r n a l o fS o l a rE n e r-g yE n g i n e e r i n g,2 0 2 3,1 4 5(3):0 3 1 0 0 9.1 2S H I J,X U EH,CHE NZ,e t a l.N u m e r i c a l s t u d yo f an e w s o l a r v a c u u m t u b e i n t e g r a t i n g w i t h p h a s ec h a n g em a t e r i a lJ.S u s t a i n a b i l i t y,2 0 1 9,1 1(2 4):6 9 6 0.1 3Z HAN G Y,L UO K,WANG D,e ta l.T h e r m o d y-n a m i ca n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no fl i q u i da i rp o w e rp l a n t i n t e g r a t e dw i t hp a r a b o l i ct r o u g hs o l a rc o l l e c-t o r sJ.E n e r g yS o u r c e s,P a r tA:R e c o v e r y,U t i l i z a-t i o n,a n d E n v i r o n m e n t a l E f f e c t s,2 0 2 3,4 5(4):1 1 9 4 3-1 1 9 6 2.S i m u l a t i o nS t u d yo fE n h a n c e dP h a s eC h a n g eT h e r m a l S t o r a g e i nP a r a b o l i cT r o u g hE v a c u a t e dT u b eS o l a rC o l l e c t o r sL U OK a i y i,Z H A N GY o n g*(S c h o o l o fP h y s i c sa n dE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g,N o r t h e a s tP e t r o l e u m U n i v e r s i t y,D a q i n g1 6 3 3 1 8,C h i n a)A b s t r a c t:T oe n h a n c e t h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t yo fp h a s ec h a n g em a t e r i a l i np a r a b o l i ct r o u g he v a c u a t e dt u b es o l a rc o l l e c t o r s,an o v e l d e s i g nc o m b i n i n gap h a s ec h a n g em a t e r i a l e m b e d d e dm e t a l l i c f o a ma n das e m i c i r c u l a r t u b ee n h a n c e dh e a tt r a n s f e rs t r u c t u r ew a sd e v e l o p e d.F L U E NTs o f t w a r ew a su t i l i z e dt on u m e r i c a l l ys i m u l a t e t h eh e a t t r a n s f e rd u r i n gt h eh e a ts t o r a g ep r o c e s s.T h es t u d yf o c u s e do nt h e i m-p a c to f i n t e g r a t i n gf i n sa n dm e t a l l i c f o a mi n t ot h ep h a s ec h a n g em a t e r i a lu n d e rn o n-u n i f o r mh e a t f l u xd e n s i t yd i s t r i b u t i o no nt h e l i q u i df r a c t i o no f t h ep h a s ec h a n g em a t e r i a l.K e y w o r d s:P a r a b o l i c t r o u g hs o l a rc o l l e c t o r;H e a t s t o r a g e;P h a s ec h a n g em a t e r i a l;F i n;M e t a l f o a m8云南师范大学学报(自然科学版)第4 4卷