1、青 島 科 技 大 學(xué)本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文）填充泡沫金屬的相變蓄熱單元管的數(shù)值模擬題 目 _指導(dǎo)教師_輔導(dǎo)教師_學(xué)生姓名_學(xué)生學(xué)號(hào)_熱能與動(dòng)力工程機(jī)電工程_院（部）_專業(yè)_班_年 _月 _日填充泡沫金屬的相變蓄熱單元管的數(shù)值模擬摘 要吸熱蓄熱器是空間站太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)(Space Solar Dynamic Power SystemSSDPS)的關(guān)鍵部件，其采用的蓄熱方式是高溫相變蓄熱。高溫相變蓄熱大都選用氟鹽作為相變材料，由于固液密度不同，PCM在相變過程中會(huì)產(chǎn)生空穴，這嚴(yán)重影響了蓄熱容器的傳熱性能及結(jié)構(gòu)可靠性。為改善氟鹽PCM帶來的不良影響，本文采用在PCM中填充泡沫金屬的

2、措施，泡沫金屬以其高導(dǎo)熱、質(zhì)輕、高比熱等特點(diǎn)作為填充物，成為強(qiáng)化相變蓄熱的有效手段。 本文以太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)中采用的吸熱蓄熱器內(nèi)部的相變蓄熱單元管為研究對(duì)象，選擇氟鹽805LiF-195CaF2作為蓄熱材料，鈷基合金Haynesl88作為PCM容器及工質(zhì)導(dǎo)管材料，并采用孔隙率為95的多孔泡沫鎳來研究單元管內(nèi)部的強(qiáng)化傳熱情況。 關(guān)鍵詞：相變蓄熱單元管；FLUENT軟件； 泡沫金屬：強(qiáng)化傳熱； 數(shù)值模擬Metal foam filling phase change thermal storage unit tube simulationABSTRACTHeat Receiver i

3、s the key component of the space solar dynamic power systems(Space Solar Dynamic Power System-SSDPS)，it adopts the method of high temperature phase change thermal storage，in which the molten salt is usually selected as PCMHowever, solid density of PCM is different from its liquid density, which will

4、 cause cavity in the phase change processThe cavity will seriously affect the heat transfer performance and structure reliability of heat storage containerTherefore，PCM is encapsulated in many containers and metal foam is embedded in PCM to reduce the adverse effects of PCMMetal foam，with its high t

5、hermal conductivity, light weight，high heat capacity and etc，is selected as a filling with PCM，and is becoming an effective way of strengthening the heat storage The paper takes the phase change thermal storage unit tube used in Solar Dynamic Power System ground test as the research objectThe molten

6、 salt LiFCaF2 is selected as thermal storage material in heat exchange tube，Co-based alloys Haynes 188 is selected as material of PCM container and working fluid tube，and the porous nickel foam of 95 porosity is selected to strengthen heat transfer.KEY WORDS: phase change thermal storage unit tube；F

7、LUENT software；metal foam；enhance heat transfer；numerical simulation目錄前言21緒論31.1相變蓄熱概述31.1.1相變蓄熱的分類31.1.2蓄熱材料41.2強(qiáng)化相變蓄熱的方法41.2.1多孔介質(zhì)51.2.2在相變材料中分散高導(dǎo)熱顆粒51.2.3安置金屬結(jié)構(gòu)61.2.4添加具有高導(dǎo)熱率、低密度的填充材料61.3 國內(nèi)外研究進(jìn)展61.4選題的目的及意義71.5本文主要研究內(nèi)容82 相變蓄熱理論及數(shù)值求解92.1相變傳熱的特點(diǎn)92.2相變傳熱問題的數(shù)學(xué)模型9221溫度法模型9222焓法模型102.3相變傳熱的數(shù)值求解102.4利用

8、FLUENT模擬相變問題的基本理論112.4.1 FIUENT簡介112.4.2 FLUENT求解相變問題的Solidification/Melting模型112.5 本章小結(jié)113 相變蓄熱單元管的結(jié)構(gòu)及選材133.1相變蓄熱單元管的應(yīng)用及結(jié)構(gòu)133.1.1 相變蓄熱單元管的應(yīng)用133.1.2相變蓄熱單元管結(jié)構(gòu)143.2相變材料及封裝容器材料的選擇153.3 多孔泡沫金屬基的選擇163.3.1 泡沫金屬的結(jié)構(gòu)特征163.3.2泡沫金屬基體的選擇173.4本章小結(jié)184 物理及數(shù)學(xué)模型的建立和處理204.1物理模型的建立204.2利用FLUENT計(jì)算過程中參數(shù)的設(shè)置214.2.1網(wǎng)格劃分并設(shè)置

9、邊界類型214.2.2初始和邊界條件234.2.2.1邊界條件234.2.2.2初始條件244.2.3 FLUENT參數(shù)設(shè)置254.3本章小結(jié)305 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析315.1填充泡沫金屬前后單元管的溫度及液相率變化315.2溫度場及液相率分布云圖355.3 本章小結(jié)376 總結(jié)與展望39前言20世紀(jì)70年代以來，世界范圍內(nèi)普遍爆發(fā)了能源危機(jī)，如何節(jié)約現(xiàn)有資源或開發(fā)新能源已成為研究的焦點(diǎn)。蓄熱技術(shù)的研究和應(yīng)用也在此后得到不斷發(fā)展，現(xiàn)已成為開發(fā)新能源、提高其利用率、協(xié)調(diào)在強(qiáng)度和時(shí)間上能量供求不匹配的關(guān)鍵技術(shù)1。在電力“移峰填谷”、太陽能利用、工業(yè)余熱廢熱的回收利用、空調(diào)節(jié)能及民用建筑等領(lǐng)域

10、具有廣闊的應(yīng)用前景。蓄熱技術(shù)由于能夠解決熱能的供給與需求在時(shí)間和空間上的不匹配，而成為合理利用能源、減輕環(huán)境污染的有效途徑。相變蓄熱由于具有蓄熱密度大、蓄放熱溫度恒定、容易控制等優(yōu)點(diǎn)，已成為熱能利用的新熱點(diǎn)。 由于相變過程中伴隨有傳導(dǎo)、對(duì)流現(xiàn)象，使得相變傳熱問題的求解復(fù)雜化，大多數(shù)情況下都借助于數(shù)值模擬。相變蓄熱技術(shù)利用相變材料PCM (Phase Change Materials)發(fā)生相變時(shí)能量的吸收與釋放來儲(chǔ)存和釋放能量，可以有效緩解能量供求雙方在時(shí)間、地點(diǎn)、強(qiáng)度上的不匹配，是合理利用能源及減輕環(huán)境污染的有效途徑，也是廣義熱能系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的重要手段。相變蓄熱技術(shù)的應(yīng)用一方面能二次利用工業(yè)廢

11、熱、余熱，減少環(huán)境污染；另一方面，再次生成的熱能可減少煤，石油等不可再生能源的消耗，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排，還能夠?qū)崿F(xiàn)不可再生能源的替代使用。隨著載人航天空間技術(shù)、工業(yè)加熱系統(tǒng)的余熱回收系統(tǒng)及高溫工業(yè)爐蓄熱室的不斷發(fā)展，高溫相變蓄熱理論及其應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)。同時(shí)材料科學(xué)、工程熱物理、太陽能、工業(yè)余熱利用及航天技術(shù)等各領(lǐng)域的相互滲透和高速發(fā)展，也為高溫相變蓄熱的進(jìn)一步研究打下了基礎(chǔ)。本文主要是對(duì)以太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)中采用的吸熱蓄熱器內(nèi)部的相變蓄熱單元管進(jìn)行研究。1 緒論1.1相變蓄熱概述1.1.1相變蓄熱的分類蓄熱方式主要有顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學(xué)反應(yīng)蓄熱三種。顯熱蓄熱是依靠溫度升降

12、來存儲(chǔ)熱量。使用顯熱蓄熱雖然簡單方便，但由于蓄熱材料蓄熱密度較低，會(huì)使相應(yīng)的系統(tǒng)體積龐大，而且其本身的溫度在一直變化，故要達(dá)到控制溫度的目的很難，因此它的應(yīng)用價(jià)值空間有限。潛熱蓄熱也就是相變蓄熱，是依靠物質(zhì)在相變時(shí)吸、放熱來儲(chǔ)存或釋放能量的；使用這種方式蓄熱不僅具有儲(chǔ)熱能力強(qiáng)、蓄熱密度大、裝置體積小等特點(diǎn)，更重要的是蓄熱過程溫度恒定，方便控制和管理，所以受到廣泛關(guān)注。化學(xué)反應(yīng)蓄熱是利用可逆化學(xué)反應(yīng)通過熱能與化學(xué)熱的轉(zhuǎn)換來進(jìn)行蓄熱。雖然該方式儲(chǔ)能密度較大，但是使用不便且生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜，故不宜實(shí)際應(yīng)用。三種方式中，潛熱蓄熱最具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，也是目前應(yīng)用最多和最重要的儲(chǔ)能方式。此外，按照物質(zhì)相變溫度不

13、同，潛熱蓄熱又分為低溫、中溫、高溫三種。通常物質(zhì)的相變包括以下幾種形式：固態(tài)氣態(tài)、液態(tài)氣態(tài)、固態(tài)液態(tài)及固態(tài)固態(tài)。由于前兩種方式在相變中會(huì)產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致材料發(fā)生很大的體積變化，雖然它們具有較高的相變焓，但離實(shí)際應(yīng)用尚且較遠(yuǎn)。固固相變及固液相變應(yīng)用較廣。對(duì)于固氣相變，氣態(tài)分子具有最大的運(yùn)動(dòng)自由度，而固態(tài)分子的運(yùn)動(dòng)自由度最小，因此，固氣相變即升華和凝聚具有最大的相變潛熱。 但由于相變過程中體積的巨大變化使系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，因而完全無法應(yīng)用。對(duì)于固液相變來說，具有以下特點(diǎn)：(1)材料的固液相變潛熱遠(yuǎn)大于其顯熱，因此可以用較小的體積儲(chǔ)存較多的熱量；(2) 蓄放熱過程可以在恒定溫度下或者很小的溫度范圍內(nèi)

14、進(jìn)行；(3)固液相變過程中體積變化較小。基于以上三個(gè)特點(diǎn)，固液相變是實(shí)際應(yīng)用得較多的相變蓄熱方式。近年來，固固相變的研究和應(yīng)用得到迅速發(fā)展。其主要優(yōu)點(diǎn)是體積變化小，相變過程中不出現(xiàn)液態(tài)，可以減少對(duì)容器的要求，這些優(yōu)點(diǎn)使得固固相變?cè)谙嘧冃顭犷I(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。1.1.2蓄熱材料單純鹽混合鹽金屬堿石蠟脂肪酸類其他有機(jī)物化合物低工熔體化合物鹽的水合物氫氧化物水合物包合物無機(jī)物有機(jī)物高溫類蓄熱材料低溫類低工熔體高溫類相變蓄熱材料主要用于太陽能熱動(dòng)力發(fā)電等系統(tǒng)中的能量儲(chǔ)存，蓄熱成本高，可以達(dá)到較高的運(yùn)行效率，設(shè)備相對(duì)緊湊，質(zhì)量相對(duì)較輕，目前主要在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用；低溫類相變蓄熱材料主要應(yīng)用于地面民用

15、領(lǐng)域，太陽能熱利用以及建筑節(jié)能等領(lǐng)域?qū)ο嘧冃顭岵牧系男枨笫蛊渚哂袕V泛的應(yīng)用前景。為保證熱機(jī)正常工作，對(duì)其循環(huán)溫度有一定的限制，所以SSDPS的吸熱器必須選擇高溫潛熱蓄熱。高溫相變材料通常包括氧化物、鹽、金屬、堿、混合鹽及合金等五類。1.2強(qiáng)化相變蓄熱的方法隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)有資源的耗竭，節(jié)能備受關(guān)注。研究的熱點(diǎn)逐漸向如何使相變蓄熱系統(tǒng)的熱性能更加優(yōu)越轉(zhuǎn)變，而與相變蓄熱系統(tǒng)的熱性能密切相關(guān)的一個(gè)關(guān)鍵因素就是相變材料，固液相變儲(chǔ)能裝置有良好的恒溫性以及巨大的相變潛熱，能有效的解決短時(shí)、周期性大功率電子器件的散熱問題，在國外航空、航天和微電子等系統(tǒng)上得到越來越廣泛應(yīng)用但是常用的相變材料普遍具有導(dǎo)熱率

16、較低的缺點(diǎn)，難以滿足現(xiàn)代高科技系統(tǒng)和裝備上作業(yè)任務(wù)的要求。盡管相變材料自身具有蓄熱過程溫度近似常數(shù)、且儲(chǔ)熱密度大等優(yōu)點(diǎn)，但其熱導(dǎo)率卻較低，在某些方面限制了它的使用。為彌補(bǔ)相變材料導(dǎo)熱能力差的不足，一般采取將相變材料加入到孔隙率很高的多孔介質(zhì)中、在相變材料中安置金屬結(jié)構(gòu)、將高導(dǎo)熱顆粒分散在相變材料中以及添加具有低密度、高導(dǎo)熱率的填充材料等措施，以增大系統(tǒng)的蓄、放熱效率，強(qiáng)化相變蓄熱裝置熱性能。1.2.1多孔介質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)包括天然的多孔介質(zhì)(如石墨)及加工制造而成的泡沫金屬(如鋁、銅、鎳)等。泡沫金屬是最近研制出的一種新型材料，其金屬基體中均勻分布大量連通和不連通的孔洞的新型輕質(zhì)多功能材料，因此該結(jié)

17、構(gòu)具有密度小、孔隙率高、比表面積大等特點(diǎn)，將其作為填充材料運(yùn)用到相變儲(chǔ)能裝置中以提高裝置的整體熱性能正越來越受到國內(nèi)外研究人員的重視。由于大量金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)很高，因此，在PCM中加入高孔隙率的泡沫金屬構(gòu)成復(fù)合相變材料，在相變潛熱和密度都變化不大的條件下，可使其等效導(dǎo)熱系數(shù)迅速提高。目前，對(duì)于多孔泡沫金屬基體的研究已經(jīng)相當(dāng)普遍。研究了在PCM中加入不同孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的多孔金屬基體，對(duì)相變蓄熱系統(tǒng)帶來的影響情況。并對(duì)圓柱環(huán)的熔化過程進(jìn)行了數(shù)值研究。結(jié)果表明，裝置的強(qiáng)化程度與所用多孔介質(zhì)的孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)緊密相關(guān)。當(dāng)圓柱環(huán)內(nèi)采用單純的PCM時(shí)，容器底部的熔化率低于容器頂部，這是因?yàn)樵谌刍^程中

18、，對(duì)流傳熱起著主導(dǎo)作用。而當(dāng)圓柱環(huán)內(nèi)填充高導(dǎo)熱率的多孔泡沫金屬時(shí)，容器底部的熔化率得到了顯著提高。強(qiáng)化效果取決于多孔泡沫金屬結(jié)構(gòu)的孔隙率。雖然加入無論孔隙率是多少的泡沫金屬都能提高PCM的熔化率，但是孔隙率的降低會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)化效果的下降。盡管從理論上講，較低的孔隙率會(huì)導(dǎo)致復(fù)合PCM具有較高的有效導(dǎo)熱系數(shù)值，從而使裝置的性能得以強(qiáng)化。然而，泡沫金屬的較低的孔隙率阻礙了液相PCM的移動(dòng)，從而影響了液相PCM內(nèi)部的自然對(duì)流而降低裝置性能。數(shù)值研究結(jié)果表明了較低孔隙率下的溫度分布情況。由此得出結(jié)論，選用的多孔基質(zhì)不僅應(yīng)具有高導(dǎo)熱性，還應(yīng)具有盡可能高的孔隙率以達(dá)到最佳的強(qiáng)化傳熱性能。將各類蓄熱材料與合適的基

19、體材料復(fù)合，強(qiáng)化蓄、放熱過程的傳熱，并解決蓄熱材料液相的泄漏和腐蝕問題，是儲(chǔ)能材料研究的熱點(diǎn)。崔海亭等2利用FLUENT模擬了將泡沫鋁加入到石蠟中，對(duì)其傳熱情況的影響。結(jié)果表明，加入泡沫鋁可提高儲(chǔ)熱效率，縮短相變時(shí)間，并使溫度場分布更加均勻。程文龍等3以石蠟、銅和石蠟、鋁復(fù)合材料作為研究對(duì)象，建立了其在凝固時(shí)的數(shù)學(xué)模型。在理論上對(duì)凝固時(shí)的傳熱情況進(jìn)行了分析，提出了一種平衡傳熱性能和儲(chǔ)能能力的措施。分析得到了外部換熱環(huán)境對(duì)平衡孔隙率、傳熱性能和儲(chǔ)能能力的影響。結(jié)果表明，當(dāng)泡沫金屬處于平衡孔隙率時(shí)，可在保證儲(chǔ)能能力降低不多的前提下極大的提高其傳熱性能。1.2.2在相變材料中分散高導(dǎo)熱顆粒雖然使用與

20、石墨復(fù)合的PCM的方法能有效地強(qiáng)化蓄熱裝置的性能，但是石墨復(fù)合物的制備工藝復(fù)雜，需要經(jīng)過多種化學(xué)/物理過程，比如熱處理、干燥、混合、磨碎、壓縮等，消耗了大量的時(shí)間及能量。并且Elgafy和Lafdi4的研究報(bào)告指出，石墨的孔隙率是影響復(fù)合物復(fù)合效果的一個(gè)至關(guān)重要的因素。假如使用平均孔徑小的石墨，會(huì)降低材料的潛熱值。這是因?yàn)樘貏e小的孔徑會(huì)阻礙分子運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致很難將PCM加入到多孔介質(zhì)中；另外，孔徑的增加會(huì)減小毛細(xì)應(yīng)力從而導(dǎo)致液相PCM泄露。而采用高傳導(dǎo)率的金屬顆粒就避免了這些缺點(diǎn)，因而在相變材料中分散高導(dǎo)熱顆粒是強(qiáng)化PCM熱導(dǎo)率的一種相對(duì)簡單的技術(shù)方法。1.2.3安置金屬結(jié)構(gòu)在相變材料中安置金

21、屬結(jié)構(gòu)也是一種提高傳熱性能的方法。研究人員對(duì)內(nèi)部填充石蠟的圓柱形蓄熱器進(jìn)行了研究。表明填充薄壁鋼結(jié)構(gòu)圓柱環(huán)后完全凝固時(shí)間是純石蠟的1/9。填充縱向肋片后，凝固時(shí)間是不填時(shí)的1/4。但是添加的圓柱環(huán)結(jié)構(gòu)占有率不能超過總體積的20%，肋片結(jié)構(gòu)不能超過7%。此外強(qiáng)化效果還與添加的圓柱環(huán)的直徑有關(guān)。另外，添加其他形狀的金屬結(jié)構(gòu)也能提高PCM的傳熱效果。1.2.4添加具有高導(dǎo)熱率、低密度的填充材料由于金屬顆粒以及金屬結(jié)構(gòu)的密度較大，故這些結(jié)構(gòu)會(huì)處于容器底部，也必然會(huì)導(dǎo)致蓄熱系統(tǒng)重量的增加。而且，研究報(bào)告可知，并不是所有的余屬顆粒都與所有的PCM兼容。比如石蠟與鋁兼容，可與銅卻不兼容。因而，科學(xué)家們研究了

22、一種高導(dǎo)熱、低密度的添加劑(如碳纖維等)，它能與所有的PCM兼容。因碳纖維具有密度低于金屬而導(dǎo)熱率卻和鋁、銅等類似，還有很高的抗腐蝕性，與所有PCM兼容等有點(diǎn)，所以用碳纖維代替金屬結(jié)構(gòu)/顆粒等，將會(huì)更好的強(qiáng)化相變蓄熱系統(tǒng)的熱性能。研究人員深入研究了在PCM中加入碳纖維對(duì)提高其導(dǎo)熱系數(shù)帶來的影響。他們將碳纖維按兩種不同方式添加到PCM中，選取一維導(dǎo)熱模型對(duì)兩種情況下的熱導(dǎo)率進(jìn)行了比較。第1種情況是采用碳纖維刷的形式，熱流方向與纖維絲的方向一致；第2種情況是把碳纖維隨意分布在PCM中。結(jié)果表明：通過加入碳纖維可在很大程度上提高PCM的有效導(dǎo)熱系數(shù)，碳纖維刷方式可得到預(yù)測的最大理論值；當(dāng)將石蠟作PC

23、M時(shí)，如果按隨意放置碳纖維方式，3%(體積分?jǐn)?shù))的碳纖維可使石蠟的有效導(dǎo)熱系數(shù)增大10倍，但只需1%的碳纖維刷，即能達(dá)到類似的強(qiáng)化效果。此外，研究人員還對(duì)加入碳纖維的管殼式換熱器的強(qiáng)化進(jìn)行了研究。研究表明，體系的傳熱效果隨碳纖維直徑及體積分?jǐn)?shù)增大而加強(qiáng)，且存在最優(yōu)值。綜上所述，可知通過在PCM中添加高導(dǎo)熱率、低密度的填充材料的方法可提高材料的強(qiáng)化效果。但加入添加劑，會(huì)降低材料的總儲(chǔ)熱能。因而需控制添加劑的質(zhì)量/體積分?jǐn)?shù)的最優(yōu)比，以達(dá)到最優(yōu)的強(qiáng)化傳熱效果。1.3 國內(nèi)外研究進(jìn)展目前，數(shù)值模擬相變蓄熱系統(tǒng)一般依賴數(shù)值求解與半經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合的方式。純數(shù)值模擬求解因?yàn)橛?jì)算難度大，故研究較少，但具有較高

24、的借鑒價(jià)值。文獻(xiàn)中提出的模型很多，但由于傳熱方式不同、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不一、PCM的差異等使模型沒有很高的通用性。以下列出幾種相變蓄熱系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析概況。邢玉明等5選取焓法建立了單管相變蓄熱模型，該模型以控制體單元為對(duì)象。并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值分析，分析了PCM容器平均溫度、最高壁溫和工質(zhì)氣體出口溫度等參數(shù)隨時(shí)間的變化，且與試驗(yàn)結(jié)果相符。Costa等6建立了二維矩形蓄/放熱模型，通過對(duì)石蠟、錫和嫁這三種PCM的研究，提出了數(shù)值方法(SIMPLEC)，其在計(jì)算強(qiáng)關(guān)聯(lián)方程時(shí)使用半經(jīng)驗(yàn)公式，比較相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)在有空穴的熔化區(qū)上部偏差很大。Costa認(rèn)為造成理論值和實(shí)驗(yàn)值偏差較大的因素包括密度的變化、熱慣性、系

25、統(tǒng)不穩(wěn)定、熱損失、假定熱物性為常數(shù)等。崔海亭等7進(jìn)行了組合式PCM吸熱器熱性能研究。建立了由3種不同相變溫度的PCM形成的組合式PCM吸熱器模型，以改善采用單一熔點(diǎn)的PCM容易出現(xiàn)問題的弊端，給出了數(shù)值求解方法，計(jì)算了換熱管工質(zhì)出口溫度、換熱管總PCM熔化率、最大溫度等結(jié)果。并與單一PCM換熱管吸熱器進(jìn)行比較，表明采用組合PCM換熱管可顯著提高吸熱器性能，減少吸熱器質(zhì)量、減少工質(zhì)溫度波動(dòng)。計(jì)算結(jié)果可用于指導(dǎo)吸熱器的設(shè)計(jì)。 1.4選題的目的及意義吸熱蓄熱器（Heat Receiver-HR）是空間站太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)(Space Solar Dynamic Power System-SSDPS

26、)的關(guān)鍵部件高溫蓄熱器是其關(guān)鍵部件之一，因此，對(duì)高溫蓄熱器內(nèi)核心部件蓄熱單元管熱性能的研究具有極其重要的意義。對(duì)于空間太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的吸熱器來說，由于受熱機(jī)循環(huán)溫度的限制，要求采用高溫潛熱蓄熱，目前所見到的HR設(shè)計(jì)，均采用鹽類PCM，主要是氟鹽。采用鹽類PCM 有3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是相變潛熱高；二是相變溫度和熱機(jī)循環(huán)( 閉式布雷頓循環(huán)CBC) 的最高溫度相適應(yīng)；三是和金屬容器材料的相容性較好。但它也有兩個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)：一是由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔鄷r(shí)有較大的體積收縮，如LiF高達(dá)23%；二是熱導(dǎo)率低。這兩個(gè)缺點(diǎn)使熱量不能很好的傳遞給工質(zhì)，而較大的固液相密度差則使PCM在相變過程中發(fā)生很大的體積收縮或膨脹，

27、在PCM蓄熱容器內(nèi)產(chǎn)生熱阻極大的空穴，嚴(yán)重惡化PCM容器內(nèi)的傳熱，或?qū)CM容器內(nèi)壁產(chǎn)生極大的擠壓作用，造成日照期內(nèi)出現(xiàn)“熱斑”(hot spots) 和“熱松脫”( thermal ratcheting ) 現(xiàn)象，使得容器壁面出現(xiàn)局部的過高壓力和局部過高溫度，并由于較大溫度梯度而出現(xiàn)較大熱應(yīng)力。而且PCM 熔化/凝固交替進(jìn)行,很容易導(dǎo)致容器材料的熱疲勞破壞。當(dāng)前研究應(yīng)用最廣的PCM 是LiF和以LiF 為主的80. 5LiF-19. 5CaF2 (摩爾百分比)。泡沫金屬具有大比表面積和良好的流通性能，使得流體從泡沫金屬中通過時(shí)有著極大的熱交換面積，而且金屬材料良好的導(dǎo)熱性能使得溫度更能均勻地

28、分布，因此泡沫金屬是一種優(yōu)良的強(qiáng)化傳熱材料。實(shí)驗(yàn)表明：高孔隙率的泡沫金屬本身具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)，將其作為填充材料加入相變裝置中后，在密度和單位體積的相變潛熱都改變很小的情況下，可以使復(fù)合材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)大大提高，導(dǎo)熱系數(shù)的提高增強(qiáng)了儲(chǔ)能裝置各個(gè)方向上的傳熱性能，提高了裝置內(nèi)的溫度均勻性，使得熱量能迅速被相變材料所吸收，顯著改善了相變材料的儲(chǔ)熱效果，并縮短了相變時(shí)間，提高了儲(chǔ)熱效率8。1.5本文主要研究內(nèi)容研究內(nèi)容主要包括以下兩個(gè)方面：(1) 選擇空間太陽能相變蓄熱單元管類型，選定相變材料，封裝容器材料及多孔金屬基體材料，確定蓄熱單元管的結(jié)構(gòu)參數(shù)；建立了相關(guān)的物理數(shù)學(xué)模型。 (2) 對(duì)填充與未

29、填充泡沫金屬的相變蓄熱單元管進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，將蓄熱器中的相變材料在未填充泡沫金屬和填充泡沫金屬兩種情況下的相變蓄熱單元管的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比較，以說明采用強(qiáng)化傳熱措施在相變材料中填充泡沫金屬后，相變蓄熱單元管的熱性能是否得到改善。 2 相變蓄熱理論及數(shù)值求解2.1相變傳熱的特點(diǎn)相變傳熱問題的特點(diǎn)是在求解域中存在一個(gè)相變界面，該相變界面會(huì)隨時(shí)間的變化而變化。在相交溫度確定的情況下，對(duì)純物質(zhì)材料而言，該移動(dòng)界面是明晰的。對(duì)非純物質(zhì)材料(如合金、石蠟等)，其熔化或凝固現(xiàn)象發(fā)生在一個(gè)溫度范圍內(nèi)，移動(dòng)界面是模糊的兩相區(qū)。因?yàn)橄嘧儫醾鲗?dǎo)這類的問題的發(fā)生會(huì)經(jīng)常伴隨著熔化、凝固等過程，所以處理這類導(dǎo)熱問題與一般

30、的變系數(shù)問題相比要困難的很多，其主要困難即是在計(jì)算區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)隨時(shí)間移動(dòng)的兩相界面，在該界面上吸收或放出相變潛熱，因此，它又稱為“移動(dòng)邊界問題”。該類問題又被稱為斯蒂芬問題，是為紀(jì)念多年前曾對(duì)研究該問題做出顯著貢獻(xiàn)的科學(xué)家J.斯蒂芬。同時(shí)，還有其它諸如容器壁與相變材料之間熱阻的不確定性、相變引起的體積變化、液相對(duì)流等因素，這些都使相變傳熱問題的求解變得非常困難。由于在數(shù)學(xué)上相變傳熱問題屬于強(qiáng)非線性問題，不能使用解的迭加原理，所以目前僅對(duì)無限大區(qū)域或者少數(shù)一維半無限大區(qū)域，并且存在簡單邊界條件的理想化情形可以做到精確求解；對(duì)于求解有限區(qū)域相變問題時(shí)通常不能精確求解，少數(shù)能夠近似分析求解；對(duì)于多

31、維相變傳熱問題，即便采用近似分析求解也很困難，因而通常只能選取數(shù)值分析方法加以解決。故數(shù)值方法是解決該類問題極其重要的途徑。2.2相變傳熱問題的數(shù)學(xué)模型實(shí)際中，任何一種物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)描述都采用了近似的方法，相變導(dǎo)熱問題也不例外。該類問題的控制方程用連續(xù)介質(zhì)概念做基礎(chǔ)，假設(shè)相變材料的每一相都是各向同性并且均勻的。相變導(dǎo)熱問題的分析研究以所選的表征量不同通?？煞譃槿缦聝深悾簻囟确Ｐ图办史Ｐ汀?21溫度法模型溫度法模型在固、液兩相區(qū)及界面分別建立能量方程，將溫度作為唯一變量。 其基本方程如下： 以導(dǎo)熱為主的固相區(qū)域： （2-1） 以對(duì)流為主的液相區(qū)域： （2-2） 固-液界面區(qū)域： （2-3）邊

32、界條件： （2-4） (2-5) (2-6)式中：、為固、液相密度，kgm3；T1、T2為固、液相溫度，K；k1、k2為固、液相導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)；c1、c2為固、液相比熱，J(kgK)；v為速度矢量，ms；S1、S2為固、液態(tài)源項(xiàng)；h為外部傳熱系數(shù)，W(mK)；q為外部熱流密度，Wm2；為外部參考溫度，K；為流體工質(zhì)溫度，K；為相變材料的相變潛熱，J；t為時(shí)間，s。 222焓法模型 焓法是將焓和溫度共同作為待求函數(shù)，無須分區(qū)建立控制方程，在包括固、液及兩相界面的整個(gè)區(qū)域上建立一個(gè)統(tǒng)一的能量方程，依靠數(shù)值方法求解出熱焓場分布情況。焓場解得出后，因?yàn)殪孰S時(shí)間的變化是連續(xù)的，從而很容易得到溫度

33、場及固液移動(dòng)界面。焓法模型以溫度和焓作為因變量，其控制方程形式如下： 能量方程為： （2-7）在固、液相，溫度和焓的關(guān)系可以表示為： （2-8） （2-9） （2-10）2.3相變傳熱的數(shù)值求解對(duì)于相變問題，求解方法可以分為解析法和數(shù)值方法。解析法包括精確分析法和近似分析法，數(shù)值方法由包括有限差分法、有限容積法、有限分析法及有限元法。只有在極少數(shù)情況下才能得到精確分析解，對(duì)于一般的相變問題，通常采用近似分析的方法。近似分析方法很多，主要有積分法、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法、熱阻法、逐次逼近法等。當(dāng)近似分析法也無能為力時(shí)，解決相變問題最有效的方法就是數(shù)值解法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值求解方法也得到了越來越廣泛的

34、應(yīng)用以求解工程中實(shí)際的流動(dòng)和換熱問題。數(shù)值求解方法的基本思想是：把原來在空間與時(shí)間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場(如速度場，溫度場，濃度場等)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)(稱為節(jié)點(diǎn))上的值的集合來代替，通過一定的原則建立起這些離散點(diǎn)上變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程(稱為離散方程)，求解所建立起來的代數(shù)方程以獲得所求解變量的近似值。只要節(jié)點(diǎn)分布的足夠密，數(shù)值求解得到的結(jié)果就有足夠的精度。2.4利用FLUENT模擬相變問題的基本理論2.4.1 FIUENT簡介目前，F(xiàn)LUENT是處于世界領(lǐng)先地位的商業(yè)CFD(Computational Fluid Dynamics計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))軟件包之一，它適用范圍廣泛，功能強(qiáng)大。

35、FLUENT是一款用于分析和模擬復(fù)雜的幾何區(qū)域中的流體傳熱與流動(dòng)現(xiàn)象的專用軟件。它可以支持多種網(wǎng)格，提供了靈活的網(wǎng)格特性。用戶可自由選擇采用結(jié)構(gòu)化(Map)或者非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（Pave）來對(duì)復(fù)雜的幾何區(qū)域進(jìn)行劃分，例如針對(duì)三維情況，支持四面體網(wǎng)格（Tetra Meshing）、三棱柱網(wǎng)格（Prism Meshing）、棱柱形網(wǎng)格（Pyramid Meshing）；針對(duì)二維情況，支持四邊形網(wǎng)格（Quad）或三角形網(wǎng)格(Tri)；同時(shí)為了解決復(fù)雜外型的傳熱和流動(dòng)問題也支持它們的混合形式(Quad/Tri)，另外為了優(yōu)化網(wǎng)格，用戶可以根據(jù)求解過程中求得的計(jì)算結(jié)果并采用FLUENT提供的網(wǎng)格自適應(yīng)特性來

36、進(jìn)行優(yōu)化。必須指出的是，對(duì)二維情況，必須選中下方的Export 2-D(X-Y)Mesh選項(xiàng)，才能輸出正確的網(wǎng)格文件。FLUENT軟件一般包括前處理器、求解器和后處理器這三個(gè)主要功能部分。FLUENT的前處理軟件采用GAMBIT，它可以讀入多重CAE(Computer Aided Engineering計(jì)算機(jī)輔助工程)軟件的網(wǎng)格模型和多種CAD(Computer Aided Design計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))軟件制作的幾何模型，來進(jìn)行對(duì)象的網(wǎng)格生成和幾何建模。CFD軟件包的核心是求解器，通用求解器FLUENT6.3.26是基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的，支持并行計(jì)算，分雙精度和單精度兩種。在FLUENT中讀入生

37、成的網(wǎng)格以后，剩下的操作包括選擇計(jì)算模型、定義材料物理性質(zhì)、設(shè)置操作條件及邊界條件、執(zhí)行求解、對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理、根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化網(wǎng)格等；FLUENT的后處理功能非常強(qiáng)大，有等值線圖、云圖、矢量圖、XY散點(diǎn)圖、剖面圖、動(dòng)畫、粒子軌跡圖等多種方式存儲(chǔ)、顯示和輸出計(jì)算結(jié)果，這樣可以更加有效地對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和觀察。 完成一個(gè)流體流動(dòng)與傳熱問題的計(jì)算流程：首先利用GAMBIT或者其他前處理器完成模擬對(duì)象幾何結(jié)構(gòu)的建模以及計(jì)算網(wǎng)格的生成與劃分，然后將網(wǎng)格導(dǎo)入到FLUENT求解計(jì)算，最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理和分析9。2.4.2 FLUENT求解相變問題的Solidification/Melting模型

38、FLUENT軟件使用焓法模型處理關(guān)于凝固/熔化現(xiàn)象的流體流動(dòng)和傳熱問題。利用FLUENT中的Solidification & Melting模塊求解相變問題，其采用“焓一多孔度(enthalpyporosity)” 技術(shù)，采用該技術(shù)的好處是沒必要跟蹤相變界面的位置，在此引出了“液相率(Liquid Fraction)”的概念，它是指液相物質(zhì)所占整個(gè)控制容積的體積比。2.5 本章小結(jié)本章簡單介紹了相變傳熱的特點(diǎn)和理論基礎(chǔ)，對(duì)相變傳熱過程進(jìn)行了系統(tǒng)分析。詳細(xì)敘述了相變蓄熱的基本模型和幾種數(shù)值求解方法，另外，還對(duì)目前廣泛使用的CFD軟件FLUENT及如何利用該軟件的Solidificatio

39、n/Melting模型進(jìn)行相變過程的數(shù)值模擬進(jìn)行了詳細(xì)的分析描述，為后續(xù)章節(jié)相變蓄熱單元管的數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ)。3 相變蓄熱單元管的結(jié)構(gòu)及選材3.1相變蓄熱單元管的應(yīng)用及結(jié)構(gòu)3.1.1 相變蓄熱單元管的應(yīng)用隨著航天事業(yè)的發(fā)展，SSDPS作為一種新型的空間發(fā)電系統(tǒng)，逐漸成為研究的焦點(diǎn)?；谔枱嵩吹闹芷谛裕琒SDPS必須在陰影期和日照期這兩種情況不斷交替下工作，并能穩(wěn)定發(fā)電。SSDPS主要由能量轉(zhuǎn)化器、聚能器、輻射器和蓄熱吸熱器等四部分構(gòu)成。如圖3-1所示為該系統(tǒng)的吸熱/蓄熱器結(jié)構(gòu)示意圖。它主要由一個(gè)圓柱形狀的吸熱器構(gòu)成，本文的研究對(duì)象是循環(huán)工質(zhì)換熱管，又稱相變蓄熱單元管均勻分布在圓柱腔內(nèi)，換熱

40、單元管上套裝若干個(gè)分離的PCM容器，高溫PCM封裝于容器內(nèi)。吸熱器一端為石墨擋板，擋板中間是入射窗。兩端分別為工質(zhì)入口和出口總管。整個(gè)吸熱器外面用多層保溫材料絕熱。其工作原理是：利用拋物線型的聚能器捕獲太陽能熱流，將其聚集到吸熱/蓄熱器的圓柱形空腔內(nèi)，接著被吸收轉(zhuǎn)換成熱能，其中一部分熱能傳遞給循環(huán)工質(zhì)來驅(qū)動(dòng)熱機(jī)發(fā)電，另外一部分熱量則被封裝在多個(gè)小容器的PCM內(nèi)加以儲(chǔ)存。在軌道陰影期，PCM凝固放熱來加熱循環(huán)工質(zhì)，以保證空間站處于陰影期時(shí)仍能連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電10。由聚能器捕獲的太陽能入射熱流在換熱單元管軸向分布的不均勻性及工質(zhì)導(dǎo)管內(nèi)壁工質(zhì)換熱的不同決定了吸熱腔各表面的溫度分布也是不均勻的，需要通過吸

41、熱腔的輻射熱交換計(jì)算來確定換熱管的實(shí)際軸向入射熱流分布，進(jìn)而得到整個(gè)吸熱器的傳熱性能。圖3-1 吸熱蓄熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3-1 Structure of heat receiver美國從20世紀(jì)60年代就開始了吸熱蓄熱器的研究，Garrett公司先后設(shè)計(jì)了3kW，10.5kW的空間熱動(dòng)力裝置，試制了各主要部件，并對(duì)它們進(jìn)行了大量的性能試驗(yàn)(TES-1，TES-2)。在1994年和1996年，分別在哥倫比亞號(hào)和奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)上進(jìn)行了兩次蓄熱容器的搭載試驗(yàn)，以驗(yàn)證空間環(huán)境下相變蓄熱材料的蓄放熱性能以及與容器材料的相容性能。SSDPS對(duì)未來的空間探索有著至關(guān)重要的意義，它是一種先進(jìn)的空間太陽能供

42、電方式。隨著人類不斷深入探索太空，例如探索火星、月球，甚至將來到太陽系以外的宇宙進(jìn)行探索，甚至是建立永久空間站，如何解決電力需求成為關(guān)鍵。此外，這種先進(jìn)的供電方式必將能夠提供很好的解決方案以緩解地面的能源危機(jī)。3.1.2相變蓄熱單元管結(jié)構(gòu)包覆換熱管的相變材料容器可采用兩種結(jié)構(gòu)形式：(1)同心套管形式。套管的環(huán)形空間由徑向翅片分隔，每個(gè)翅片上開兩個(gè)孔。制造時(shí)先將翅片焊在內(nèi)管上，再套上外套管，從端部充灌PCM后密封。翅片既能強(qiáng)化傳熱，又能改善空穴分布，防止出現(xiàn)熱松脫。(2)單個(gè)獨(dú)立的相變材料容器分別套裝在工質(zhì)導(dǎo)管上，容器與氣管的交界面用釬焊連接以減少接觸熱阻。由于采用一個(gè)個(gè)孤立的小室實(shí)現(xiàn)PCM充分

43、間隔化，可以控制空穴分布，增加熱耦合，解決熱松脫問題，同時(shí)可靠性較高，局部損壞對(duì)整個(gè)吸熱器的換熱能力影響較小。缺點(diǎn)是容器制造和PCM充裝工藝復(fù)雜。第一種結(jié)構(gòu)形式雖加工方便，充裝PCM也容易，但各小室相通，間隔化較差。一旦某根換熱管出現(xiàn)問題，對(duì)整個(gè)吸熱器性能影響較大?？偟膩碚f，PCM容器設(shè)計(jì)是一個(gè)尚未完全解決的問題。優(yōu)點(diǎn)：加工方便，填充相變材料也容易缺點(diǎn)：相變?nèi)萜飨嗤ǖ模嘧冞^程引起的體積變化較大，間隔化較差。缺點(diǎn)：加工復(fù)雜，填充相變材料比較困難優(yōu)點(diǎn)：可控制在相變過程中空穴的分布，解決熱松脫，增加熱耦合，可靠性較高單個(gè)獨(dú)立的相變材料容器分別套裝在工質(zhì)導(dǎo)管同心套管式換熱管的結(jié)構(gòu)本課題中PCM容器結(jié)

44、構(gòu)選用后者，即采用一個(gè)個(gè)獨(dú)立的容器形式。采取這樣的設(shè)計(jì)有以下優(yōu)勢：(1)每個(gè)小容器被單獨(dú)密封，PCM容器間隔化較好，空穴的徑向運(yùn)動(dòng)得到限制，“熱松脫"現(xiàn)象得到控制。(2)降低了徑向熱阻。容器內(nèi)外環(huán)間隙小，且兩個(gè)側(cè)壁可以強(qiáng)化導(dǎo)熱?？昭ǖ玫娇刂疲盁岚摺睖囟扔捎谳^好的熱耦合可得到降低，“熱斑”的形成環(huán)境得到改善。(3)相鄰小容器側(cè)壁間存在間隙，容器的應(yīng)力狀態(tài)得到了改善。(4)因?yàn)椴捎猛耆芊獾男∪萜?，所以少量容器的破壞就整個(gè)循環(huán)工況而言不會(huì)造成很大影響，增強(qiáng)了可靠性。3.2相變材料及封裝容器材料的選擇高溫類相變蓄熱材料主要用于太陽能熱動(dòng)力發(fā)電等系統(tǒng)中的能量儲(chǔ)存，蓄熱成本高，可以達(dá)到較高的

45、運(yùn)行效率，設(shè)備相對(duì)緊湊，質(zhì)量相對(duì)較輕，目前主要在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用；低溫類相變蓄熱材料主要應(yīng)用于地面民用領(lǐng)域,太陽能熱利用以及建筑節(jié)能等領(lǐng)域?qū)ο嘧冃顭岵牧系男枨笫蛊渚哂袕V泛的應(yīng)用前景。為保證熱機(jī)正常工作，對(duì)其循環(huán)溫度有一定的限制，所以SSDPS的吸熱器必須選擇高溫潛熱蓄熱。高溫相變材料通常包括氧化物、鹽、金屬、堿、混合鹽及合金等五類。本研究主要從實(shí)際應(yīng)用角度考慮，利用熔融鹽的混合達(dá)到調(diào)整相變溫度的目的。目前所見到的吸熱蓄熱器（Heat Receiver-HR）設(shè)計(jì)，都選取氟鹽作為PCM。原因如下：一是和金屬容器材料的相容性較好；二是相變溫度和熱機(jī)循環(huán)的最高溫度相適應(yīng)；三是相變潛熱高。相變材料的選

46、擇一般遵循以下原則：(1)合適的導(dǎo)熱性能(導(dǎo)熱系數(shù)一般宜大)；(2)相變潛熱大、相變溫度適宜(500K-1500K)；(3)相變過程必須可逆，無過冷，性能穩(wěn)定；(4)相變過程無熔析，不會(huì)致使PCM化學(xué)成分變化；(5)在高溫下不腐蝕基體材料，即與基體材料兼容性好；(6)無毒、對(duì)人體無腐蝕；(7)化學(xué)穩(wěn)定性好；(8)原料易購、價(jià)格便宜；(9)高溫下蒸氣壓低且體積膨脹率小。(1)-(2)是熱性能的要求，(3)-(7)是化學(xué)性能的要求，(8)是經(jīng)濟(jì)性能的要求，(9)是物理性能的要求。根據(jù)應(yīng)用場合的不同，美國自由號(hào)空間站的吸熱蓄熱器選用80.5LiF-19.5CaF2作為蓄熱介質(zhì)，它的相變溫度為1040

47、K，相變潛熱為790kJ/kg。仿照其設(shè)計(jì)，本文也選擇80.5LiF-19.5CaF2作為蓄熱材料。因?yàn)槭紫确}的相變潛熱大；其次通過控制不同熔點(diǎn)氟鹽的混合配比，可使蓄熱介質(zhì)具有不同的相變溫度，這樣可以滿足SSDPS的工質(zhì)循環(huán)溫度在一定范圍內(nèi)的需求；此外，容器材料采用鈷基Haynesl88，它與氟鹽的相容性也很好。20世紀(jì)80年代美國Garrett公司改用鈷基合金Haynesl88應(yīng)用在40kW和25kW方案中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，它與本文所選的蓄熱材料氟鹽有良好的相容性。洛克韋爾公司完成的熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氟鹽對(duì)Haynesl88的腐蝕率為0.01 mm/a，故容器材料選用鈷基合金Haynesl

48、88。3.3 多孔泡沫金屬基的選擇3.3.1 泡沫金屬的結(jié)構(gòu)特征泡沫金屬是近幾十年發(fā)展起來的一種兼具結(jié)構(gòu)和功能雙重屬性的新型功能材料。常見泡沫金屬結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，可分為開孔體如圖a)和閉孔體如圖b)兩種形式。前者具有連續(xù)貫通的三維多孔結(jié)構(gòu)，流體可以從中間流過；后者內(nèi)部氣孔相互獨(dú)立，并且每個(gè)氣孔都是封閉的。表征泡沫金屬微觀結(jié)構(gòu)的主要特征參數(shù)有：相對(duì)密度、孔隙率、孔密度、體積分?jǐn)?shù)、孔徑和孔徑分布等。一般來說，多孔泡沫金屬具有以下結(jié)構(gòu)特征：(1)孔徑范圍較大，大小通常在0.1-10mm之間；(2)孔隙率較高，大小隨其種類不同在40%-98%之間變化；(3)密度較低，多孔泡沫金屬的密度隨孔隙率的提

49、高而降低，通常是同體積金屬的3/5-1/50；(4)比表面積大，可達(dá)500-10000 m2/m3。 a)開孔泡沫鎳多孔材料 b)閉孔泡沫鋁材料 a)Open-cell Ni foam b)Closed-cell Al foam圖3-2泡沫金屬微觀結(jié)構(gòu)Fig.3-2 Microstructure of metal foam3.3.2泡沫金屬基體的選擇泡沫金屬或金屬多孔材料，實(shí)際上是金屬與氣體的復(fù)合材料，正是由于這種特殊結(jié)構(gòu)，使之既有金屬的特性又有氣泡特性。泡沫金屬材料具備了多方面的特殊性能，既可作為許多場合的功能材料，也可作為某些場合的結(jié)構(gòu)材料。而一般情況下它兼有功能和結(jié)構(gòu)雙重作用，是一種性能

50、優(yōu)異的多用途工程材料。在國內(nèi)外一般工業(yè)領(lǐng)域及高科技領(lǐng)域都得到了越來越廣泛的應(yīng)用并呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。文獻(xiàn) 8可知泡沫金屬作為填充材料時(shí)，導(dǎo)熱能力隨孔隙率的增加而減小，其有效導(dǎo)熱系數(shù)在翅片串聯(lián)和并聯(lián)兩種情況之間，添加了泡沫金屬后，有效導(dǎo)熱能力得到了極大的改善，其效果接近于翅片并聯(lián)的情況；在相變儲(chǔ)熱裝置中使用泡沫金屬，由于泡沫金屬的循環(huán)六面體結(jié)構(gòu)，在任意方向其有效導(dǎo)熱能力均相同，且導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)于相變材料本身而言也有較大程度的提高，所以泡沫金屬作為填充材料，能大大增強(qiáng)相變儲(chǔ)能裝置的傳熱性能，提高裝置內(nèi)的溫度均勻性和相變材料的使用效率，改善儲(chǔ)能裝置的整體熱性能。故采用泡沫金屬來強(qiáng)化傳熱。選擇泡沫金屬

51、基體材料一般原則是在一定的相變溫度范圍時(shí)仍具有很好的力學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)與相變材料具有良好的化學(xué)相容性和物理相容性。由于大多數(shù)金屬材料本身都具有非常高的導(dǎo)熱系數(shù)，因此，以高孔隙率泡沫金屬材料為骨架，在其中填充相應(yīng)的相變材料所制成的復(fù)合相變材料，在密度和單位體積的相變潛熱都改變很小的情況下，可以使復(fù)合材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)大大提高。表3-1為六種金屬基單質(zhì)的熱物性參數(shù)。根據(jù)本文蓄熱單元管PCM相變溫度要求700左右，并從生產(chǎn)工藝的完善程度等角度考慮，鎳的熔點(diǎn)較高，在高溫環(huán)境下不會(huì)熔化，且具有良好的導(dǎo)熱性，因此，選擇鎳作相變材料的基體。表3-1 各種金屬基單質(zhì)的熱物性參數(shù)Tab.3-1 Func

52、tion of common discrete form基本單質(zhì)熔點(diǎn)（0C）溶解熱（kcal/kg）Al66095Mg65088Cu108477Ti88266Fe91183Ni145572圖3-3為泡沫金屬鎳(Ni)，面密度為420士30g/m2，厚度為2mm，孔隙率為95%。采用多孔金屬鎳與高溫相變材料為原料來制取新型高性能復(fù)合蓄熱材料，因?yàn)橄嘧儾牧舷嘧儨囟认鄬?duì)穩(wěn)定、儲(chǔ)能密度較高，鎳導(dǎo)熱系數(shù)較高等優(yōu)點(diǎn)，使得其同時(shí)擁有了潛熱材料和固體顯熱材料的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)消除了潛熱相變時(shí)兩相界面上傳熱效果較差和顯熱蓄熱量較小及較難將放熱和吸熱保持在一定的溫度下進(jìn)行等缺點(diǎn)。圖3-3泡沫金屬鎳Fig.3-3 Met

53、al foam of Ni綜上所述：本文選擇氟鹽作為相變蓄熱單元管的蓄熱材料，并采用孔隙率為95%的多孔泡沫金屬鎳來強(qiáng)化單元管內(nèi)的相變傳熱效果。本文首先對(duì)單純相變材料的蓄熱單元管進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，然后對(duì)填充泡沫鎳金屬之后的復(fù)合相變蓄熱管進(jìn)行計(jì)算，并分析復(fù)合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化傳熱效果。具體將在本文的以下章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。3.4本章小結(jié)本章從介紹相變蓄熱單元管的應(yīng)用背景出發(fā)，從而引出了相變蓄熱單元管的結(jié)構(gòu)。本文采用單個(gè)獨(dú)立的相變材料容器分別套裝在工質(zhì)導(dǎo)管上的結(jié)構(gòu)形式，由于采用一個(gè)個(gè)孤立的小室實(shí)現(xiàn)PCM充分間隔化，可削弱空穴分布，增加熱耦合，解決熱松脫問題，可靠性較高；此外還詳細(xì)介紹了相變材料及其封裝容器和多孔

54、泡沫金屬基體的選擇情況，從相變蓄熱單元管的應(yīng)用背景考慮，本文選取氟鹽80.5LiF-19.5CaF2作為蓄熱材料，選用鈷基合金Haynesl88作為PCM容器及工質(zhì)導(dǎo)管材料，并采用孔隙率為95%的多孔泡沫鎳來研究單元管內(nèi)部的強(qiáng)化傳熱情況。4 物理及數(shù)學(xué)模型的建立和處理4.1物理模型的建立通常，對(duì)定質(zhì)量的PCM而言，因?yàn)槲镔|(zhì)在固、液兩相時(shí)密度不同，PCM在相變時(shí)密度變化從而引起體積變化，導(dǎo)致蓄熱容器內(nèi)PCM占據(jù)的容積以外的剩余容積增大或縮小。它會(huì)相應(yīng)的引起熱阻的變化，進(jìn)而影響相變傳熱的進(jìn)行。由于PCM發(fā)生相變時(shí)體積變化，PCM容器內(nèi)總有一定比例的空穴存在。對(duì)于80.5LiF-19.5CaF2而言

55、，空穴占PCM容器體積百分比處于8%一22%之間?？昭ㄔ诤艽蟪潭壬嫌绊懥讼嘧冞^程，不能簡單的加以忽略，因此必須考慮空穴。由于時(shí)間及能力限制，本文在計(jì)算過程中沒有考慮空穴傳熱所帶來的影響，因此得出結(jié)果與真實(shí)實(shí)驗(yàn)值會(huì)有一定出入。本文所研究的高溫相變蓄熱單元管如圖4-1所示。8個(gè)PCM容器釬焊套裝于一根22×2mm的工質(zhì)導(dǎo)管上；換熱管尺寸如圖4-3所示，整個(gè)換熱管外徑45.2mm；其PCM容器尺寸如下：外壁外徑為45.2mm，厚度為1mm，內(nèi)壁內(nèi)徑為22mm，壁厚2mm，兩側(cè)壁厚度1mm，容器軸向長度25.4mm，工質(zhì)導(dǎo)管外徑為22mm，厚2mm。圖4-2所示為單元管的局部簡化示意圖，該圖為單元管沿軸向縱切面的一半，因?yàn)榱鲌鲅毓べ|(zhì)管中心軸為對(duì)稱分布，故只需計(jì)算其中一半即可，以便節(jié)約計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率。圖4-1模擬用蓄熱單元管Fig.4-1 Numerical receiver tube圖4-2換熱管簡化模型Fig.4-2 Schematic of heat tube圖4-3換熱管Fig.4-3 Size of heat tubePC