潜热储能装置相变蓄放热性能的数值模拟与优化

【摘要】：热电厂的集中供热方式需要敷设供暖管道,高昂的建设成本导致辐射范围有限,广大农村居民冬季只能依靠燃煤小锅炉供暖,加剧了环境污染和能源浪费。另一方面,一些电力生产之外的工业过程如金属冶炼、酿酒等,会产生大量的工业余热、废热,一般温度可以达到200℃以上,如何将这些工业余热、废热储存利用起来,以缓解资源浪费、环境热污染和部分地区供暖不足的现状,是本文研究的重点内容。为了实现余热资源的长期储存和空间转移,利用相变材料在蓄/放热过程中存在大量热能转移的特点,本文设计了一种储能板式相变蓄热装置。考虑到工业余热温度、装置蓄热量、相变材料导热系数和经济性等因素,选用上海皇明太阳能公司生产的70#相变材料作为储能介质。储能板内装填的相变材料在发生相变时会吸收或释放大量的潜热,以此实现储能装置的蓄/放热功能。首先设计潜热储能装置的物理模型,在考虑自然对流的情况下,用Fluent对其蓄/放热过程进行数值仿真计算,得到了相变材料在不同时刻的温度场、固-液界面和液相曲线。结果表明:蓄热过程中,随着相变材料液相率增加,在浮升力和温差的作用下出现自然对流,强化了换热,蓄热时长约5 h;放热过程持续约6.5 h,相变材料凝固后受重力作用沉降至储能板内下壁面,阻碍换热流体与相变材料的热交换,严重降低了放热效率。其后,为了突破传统储热装置蓄热慢、放热性能差的技术“瓶颈”,提高蓄热速率,优化放热效果,本文通过添加翅片的方法来强化换热,并探讨了翅片安装位置、翅片几何尺寸如间距、高度和厚度对相变材料换热效果的影响规律。结果表明:将翅片安装在相变材料侧强化换热的效果更加明显;提高换热效率最明显的翅片间距是40 mm,翅片高度是40 mm,翅片厚度是8 mm。最后,根据模拟结果优选出的储能装置模型,设计出了可移动的储能供热系统,对某居民楼进行冬季供暖,计算了移动热源的供热能力和设备成本,分析了供热系统的可行性和经济性。结果表明:通过本文设计的供暖系统取代燃煤锅炉进行供热,每个供暖季的运行成本为24~32万元,可节省燃煤量360吨,每节省一吨煤的成本投入是660~880元。因此,潜热储能供热方式是经济效益和社会效益的双赢。