石墨泡沫强化共晶盐相变蓄热数值模拟研究

摘要

当今社会,节能环保问题成为世界各国日益关注的普遍问题。能源消耗的不断增加以及过度的能源消耗带来的能源短缺和环境污染问题越来越突出。迫于环境与资源的压力,聚焦式太阳能热发电(CSP)作为一种新能源和可再生能源的新技术,成为除风能外最有前途的一种发电方式。CSP是把太阳光聚集并将其转化为工作流体的高温热能,然后将其转换成电能的技术。由于太阳能供应不稳定,所以需要有连接吸收太阳能和转换太阳能为电能的储能系统,保证热发电系统稳定运行。但是,用于这种系统的相变材料通常导热系数比较小,影响系统的蓄放热速率,所以必须采取有效措施提高相变材料的有效传热速率。
　　 论文通过数值模拟的方法,采用大型商业软件Fluent,以共晶盐为相变材料,研究孔隙率为0.728的石墨泡沫对KNO3-NaNO3共晶盐相变过程的强化作用,探讨石墨泡沫及相变系统其它影响因素对相变过程的影响,对聚焦式太阳能发电起到指导作用。本文研究的主要内容和结论如下:
　　 1)建立了相变蓄热系统的数学物理模型;确定计算模型和方法的正确性;进行网格独立性考核。
　　 2)对石墨泡沫/共晶盐复合材料和纯共晶盐相变过程进行分析,得出孔隙率为0.728的石墨泡沫/共晶盐复合相变材料的有效导热系数为41.164 W/(m·K),比纯共晶盐的导热系数提高了40.664 W/(m·K)。
　　 3)对比分析了石墨泡沫/共晶盐和纯共晶盐相变过程中四个不同截面上的温度随时间的变化、液相体积分数随时间的变化以及相变区中点的温度变化、总能量随时间的变化情况。发现石墨泡沫的存在,使系统内部温差小,相变点滞后,改变了温度曲线的形状,石墨泡沫虽然能够提高传热蓄热速率,但是储存的总能量有所降低。
　　 4)分析了热流密度(g)对石墨泡沫/共晶盐相变过程的影响。发现热流密度并不是越大越好,应从节能和性能的角度分析,合理确定热流密度,分析得到本文条件下融化时间与热流密度的关系表达式分别为:t=505911q-0.991,凝固时间与热流密度关系式为:t=519.69e0.0003q。
　　 5)研究自然对流对相变过程的影响。结果表明自然对流能强化相变传热,自然对流对融化过程的影响更明显;而且石墨泡沫的存在对自然对流有一定的削弱作用。
　　 6)分析相变蓄热器模型尺寸对石墨泡沫/共晶盐融化过程的影响。结果显示:管间距D越大,融化速率越小;换热管半径r越大,融化速率越快;分析得到融化时间和管间距、换热管半径的关系表达式分别为t=:0.005D3.3404和t=114.09r-0.1531。
　　 7)验证石墨泡沫阻力对相变过程的影响;分析石墨泡沫孔隙率对共晶盐相变过程各个参数的影响。数据拟合得到融化时间与孔隙率(η)的关系式:t=2027.1η2-3003.6η+1208.2,有效导热系数(κ)与孔隙率(η)的关系为:x=150-149.5η。通过对导热系数和总能量随孔隙率的变化曲线进行分析,得出一个石墨泡沫孔隙率0.87,使相变系统保证蓄热量的同时具有较高的导热系数。