管壳式相变换热器贮热换热效果的数值研究

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1、第29卷第12期太阳能学报V01．29．No．122008年12月ACTAENERGIAES0I．ARISSINICADec．，2008管壳式相变换热器贮热换热效果的数值研究叶宏，赵晓，程丹鹏，徐斌(中国科学技术大学热科学和能源工程系，合肥230027)摘要：选取了一种典型的贮热管排列方式，壳侧走水，管侧填充相变材料，在此基础上建立了管壳式相变换热器对水流放热的数理模型，并据此模型对换热器放热过程进行了计算，根据计算结果分析比较了管内相变材料的有效导热系数、水的质量流率、入口水温、换热器长度对换热器整体性能的影响。通过对比换热器贮热量与同尺寸普通水箱的贮热量，分析了该型换热器相对于普通水箱的贮

2、热优势。关键词：管内强化传热；相变贮热管；管壳式相变换热器；有效导热系数中图分类号：TKS11．3文献标识码：A了以单管为基础的贮热单元的贮、放热过程，得出了0引言材料熔化、凝固过程的温度分布图J。相变贮能换热器具有贮热密度较高、贮放热过现有的研究工作主要针对管内流体流动、管外程近似等温等优点，因而在太阳能热水系统、集中空相变贮热的换热模式。而对管内相变贮热、管外流调系统及航天工业等领域有广泛的应用前景。研究体流动的换热模式则鲜见文献报道。图1是作者设相变材料贮放热过程，对于相变材料的有效利用、换计的一种管壳式相变换热器的示意图。其中管侧为热器系统的优化设计及性能评估有着重要作用。国相变材料，

3、壳侧走水，设有挡板以强化壳侧换热。对内外已进行过不少这方面的研究工作。于这种换热器，管侧即相变材料的有效导热系数是GongZhenxiang等利用有限元分析了管壳式相影响换热器整体性能的关键因素。另外，人口水温、变换热器内相变材料从热流体吸热、对冷流体放热流率、换热器长度同样可能对换热器整体性能产生的过程，提出了冷流体与热流体从同一入口流入(模影响。作者选取了一种典型的贮热管排列方式，讨式1)和从相反入口流人(模式2)两种模式，并讨论论了以上几种因素对换热器整体性能的影响，并在了不同模式、流体流率、入口温度等对贮、放热速率此基础上分析比较了换热器和同尺寸普通水箱的贮的影响，计算结果表明，模式l

4、的贮、放热速率较模热放热能力。式2的高出约5％，贮、放热速率随流体流速增加而增加，模式1的贮、放热速率相对于模式2贮、放热速率的增量不随流体流率增加，但这一增量将随流体人口温度的增加而减小，随放热持续时间的增加而减小口]。康艳兵等提出了温度热阻模型，用迭代法对管侧走水、壳侧填充相变材料的同心套管的传热进行了求解，模拟分析了冷水、热风相变贮能换热f器的贮、放热性能_2]。AnicaTrp提出了一种管壳式入水口图1管壳式相变换热器纵剖面示意图换热器模型，相变材料填充于壳侧，流体流经管侧与Fig．1Theschematicoftheprofileofthe管壁发生强迫对流。AnicaTrp对以石蜡为

5、贮热材料shell-and-tubephasechangeheatexchanger的这种换热器进行了实验研究，并以数值方法分析收稿日期：2OO7—04—20基金项目：“十一五”国家科技支撑计划(2006BAAO4B02)；国家自然科学基金项目(5o4O20o9)；安徽省自然科学基金项目(050440201)通讯作者：叶宏(1973一)，男，博士、副教授，主要研究方向太阳能、热控。hye@ustc．edu．121l500太阳能学报29卷n4==●(1数理模型A=fbD

6、{1一aoJ(4)、t一其中，f——折流板间距，fb：0．0556m；D——换热为简化模型，作以下假设：①换热器外壳是绝热的；

7、②贮热管轴向没有热传导；③贮热管n外一部对流条器壳体内径，D=0．252m。利用式(4)计算可得。+2n件是中心对称的；④相邻两挡板之间各贮热管与水=1．5×10～2。水的质量流率=70kg／30min，水一==流问的对流换热系数是相同的。三)19流流过管问最大截面时的流速u=2．59×10I2=以挡板为界，将换热器分为9段，则第n段的水m／s。流能量平衡方程为：C定性温度：除取壁温外，其余参数均取流体^二w，L进、出口温度的算术平均值。n在对流换热系数h的计算中，各参数的值分别—为：取313K下饱和水的导热系数0．613W／(In·K)；nd=19．159mm；l0=1．0×103kg／n3

8、；=8．55×10一(1)kg／(m·s)，为313K下饱和水的粘度；Pr=5．83，为其中，h~oov——贮热管与水流问的对流换热系数；313K下饱和水的普朗特数；=4．53X10kg／(m·——⋯第n段的贮热管与水流问的对流换热面s)，为335K下饱和水的粘度。积；T，——第n段的贮热管的外壁面温度；T和对相变材料的传热应用有效热容法5]，温度To——分别为第n段的进、出VI水温；T——换热,