Численный анализ влияния геометрии боковых стенок на эффективность тепловых аккумуляторов на основе гранулированных материалов с фазовыми переходами

  • Сергей Сергеевич Фецов Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН; Дальневосточный федеральный университет
  • Николай Анатольевич Луценко Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН; Дальневосточный федеральный университет
Ключевые слова: накопитель тепловой энергии, фазовый переход, пористая среда, численное моделирование

Аннотация

Настоящая работа посвящена численному исследованию процессов в накопителях тепловой энергии на основе гранулированных материалов с фазовыми переходами. Изучается связь конфигурации боковых стенок таких тепловых аккумуляторов с эффективностью их работы при плоскопараллельных течениях газового теплоносителя. Форма аккумулятора энергии влияет как на течение теплоносителя в нем, так и на теплообмен, накопление и утилизацию тепла. С использованием оригинальной численной модели рассматривается влияние сужения и расширения боковых стенок на процессы зарядки и разрядки тепловых аккумуляторов с прямоугольным поперечным сечением при двух типах граничных условий: известном массовом расходе газа на входе в объект и известном перепаде давления газа на его открытых границах, для разных температур плавления теплоаккумулирующего материала. Для оценки оптимальности формы теплового аккумулятора служат разные критерии эффективности. Для процесса зарядки критериями являются максимальный коэффициент мгновенной эффективности накопления, максимальный коэффициент суммарной эффективности накопления и минимальное время полной зарядки устройства. При разрядке критериями служат максимальные значения коэффициента эффективности извлечения энергии, общего коэффициента утилизации и времени поддержания температуры теплоносителя на выходе не ниже заданной. Показано, что выбор предпочтительной формы аккумулятора зависит от применяемого критерия эффективности и конкретных условий процесса: граничных условий, температуры фазового перехода материала и других. Тепловые аккумуляторы с сужающейся или расширяющейся конфигурацией имеют преимущество в редких случаях, чаще предпочтительными оказываются аккумуляторы с прямыми боковыми стенками.

Литература


  1. Попель О.С., Фортов В.Е. Возобновляемая энергетика в современном мире. М.: Издательский дом МЭИ, 2015. 450 с.

  2. Venkataramani G., Parankusam P., Ramalingam V., Wang J. A review on compressed air energy storage – A pathway for smart grid and polygeneration // Renew. Sustain. Energ. Rev. 2016. Vol. 62. P. 895-907. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.05.002

  3. Zalba B., Marin J.M., Cabeza L.F., Mehling H. Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications // Appl. Therm. Eng. 2003. Vol. 23. P. 251-283. https://doi.org/10.1016/S1359-4311(02)00192-8

  4. Nazir H., Batool M., Bolivar Osorio F.J., Isaza-Ruiz M., Xu X., Vignarooban K., Phelan P., InamuddinKannanai A.M. Recent developments in phase change materials for energy storage applications: A review // Int. J. Heat Mass Tran. 2019. Vol. 129. P. 491-523. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.09.126

  5. Peng H., Dong H., Ling X. Thermal investigation of PCM-based high temperature thermal energy storage in packed bed // Energ. Convers. Manag. 2014. Vol. 81. P. 420-427. https://doi.org/10.1016/J.ENCONMAN.2014.02.052

  6. Kousksou T., Strub F., Castaing Lasvignottes J., Jamil A., Bedecarrats J.P. Second law analysis of latent thermal storage for solar system // Sol. Energ. Mater. Sol. Cells. 2007. Vol. 91. P. 1275-1281. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2007.04.029

  7. Jacob R., Belusko M., Liu M., Saman W., Bruno F. Using renewables coupled with thermal energy storage to reduce natural gas consumption in higher temperature commercial/industrial applications // Renew. Energ. 2019. Vol. 131. P. 1035-1046. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.07.085

  8. Ольховский Г.Г., Казарян В.А., Столяревский А.Я. Воздушно-аккумулирующие газотурбинные электростанции (ВАГТЭ). Москва, Ижевск: Ин-т компьютерных исслед., 2011. 358 с.

  9. Castellani B., Presciutti A., Filipponi M., Nicolini A., Rossi F. Experimental investigation on the effect of phase change materials on compressed air expansion in CAES plants // Sustainability. 2015. Vol. 7. P. 9773-9786. https://doi.org/10.3390/SU7089773

  10. Peng H., Shan X., Yang Y., Ling X. A study on performance of a liquid air energy storage system with packed bed units // Appl. Energy. 2018. Vol. 211. P. 126-135. https://doi.org/10.1016/J.APENERGY.2017.11.045

  11. Zhu Y., Xiao J., Chen T., Chen A., Zhou S., Liu Z., Xia Z. Experimental and numerical investigation on composite phase change material (PCM) based heat exchanger for breathing air cooling // Appl. Therm. Eng. 2019. Vol. 155. P. 631-636. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.04.014

  12. Qiao Y., Cao T., Muehlbauer J., Hwang Y., Radermacher R. Experimental study of a personal cooling system integrated with phase change material // Appl. Therm. Eng. 2020. Vol. 170. 115026. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115026

  13. Voller V., Cross M. Accurate solutions of moving boundary problems using the enthalpy method // Int. J. Heat Mass Tran. 1981. Vol. 24. P. 545-556. https://doi.org/10.1016/0017-9310%2881%2990062-4

  14. Hills R.N., Loper D.E., Roberts P.H. A thermodynamically consistent model of a mushy zone // Q. J. Mech. Appl. Math. 1983. Vol. 36. P. 505-539. https://doi.org/10.1093/qjmam%2F36.4.505

  15. Александров Д.В. Теория затвердевания с квазиравновесной двухфазной зоной // ДАН. 2000. Т. 375, № 2. С. 172-176. (English version https://doi.org/10.1134/1.1333856)

  16. Ismail K.A.R., Stuginsky Jr. R. A parametric study on possible fixed bed models for pcm and sensible heat storage // Appl. Therm. Eng. 1999. Vol. 19. P. 757-788. https://doi.org/10.1016/S1359-4311%2898%2900081-7

  17. Nagano K., Takeda S., Mochida T., Shimakura K. Thermal characteristics of a direct heat exchange system between granules with phase change material and air // Appl. Therm. Eng. 2004. Vol. 24. P. 2131-2144. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2004.02.004

  18. Arkar C., Medved S. Influence of accuracy of thermal property data of a phase change material on the result of a numerical model of a packed bed latent heat storage with spheres // Thermochim. Acta. 2005. Vol. 438. P. 192-201. https://doi.org/10.1016/j.tca.2005.08.032

  19. Rady M. Granular phase change materials for thermal energy storage: Experiments and numerical simulations // Appl. Therm. Eng. 2009. Vol. 29. P. 3149-3159. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2009.04.018

  20. Rady M. Thermal performance of packed bed thermal energy storage units using multiple granular phase change composites // Appl. Energy. 2009. Vol. 86. P. 2704-2720. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2009.04.027

  21. Izquierdo-Barrientos M.A., Sobrino C., Almendros-Ibanez J.A. Thermal energy storage in a fluidized bed of PCM // Chem. Eng. J. 2013. Vol. 230. P. 573-583. https://doi.org/10.1016/J.CEJ.2013.06.112

  22. Izquierdo-Barrientos M.A., Sobrino C., Almendros-Ibanez J.A. Modeling and experiments of energy storage in a packed bed with PCM // Int. J. Multiphas. Flow. 2016. Vol. 86. P. 1-9. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2016.02.004

  23. Peng H., Li R., Ling X., Dong H. Modeling on heat storage performance of compressed air in a packed bed system // Appl. Energy. 2015. Vol. 160. P. 1-9. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.09.029

  24. Li M.-J., Jin B., Yan J.-J., Ma Z., Li M.-J. Numerical and Experimental study on the performance of a new two-layered high-temperature packed-bed thermal energy storage system with changed-diameter macro-encapsulation capsule // Appl. Therm. Eng. 2018. Vol. 142. P. 830-845. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.07.026

  25. Elfeky K.E., Ahmed N., Wang Q. Numerical comparison between single PCM and multi-stage PCM based high temperature thermal energy storage for CSP tower plants // Appl. Therm. Eng. 2018. Vol. 139. P. 609-622. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.04.122

  26. Mohammadnejad F., Hossainpour S. A CFD modeling and investigation of a packed bed of high temperature phase change materials (PCMs) with different layer configurations // J. Energy Storage. 2020. Vol. 28. 101209. https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101209

  27. Mao Q., Zhang Y. Thermal energy storage performance of a three-PCM cascade tank in a high-temperature packed bed system // Renew. Energ. 2020. Vol. 152. P. 110-119. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.01.051

  28. Afshan M.E., Selvakumar A.S., Velraj R., Rajaraman R. Effect of aspect ratio and dispersed PCM balls on the charging performance of a latent heat thermal storage unit for solar thermal applications // Renew. Energ. 2020. Vol. 148. P. 876-888. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.10.172

  29. Теплицкий Ю.С., Рослик А.Р. О нестационарных процессах теплопереноса в слое мелкодисперсных частиц при наличии фазового перехода // ИФЖ. 2015. Т. 88, № 6. С. 1297-1306. (English version https://doi.org/10.1007/s10891-015-1318-z)

  30. Левин В.А., Луценко Н.А., Фецов С.С. Моделирование движения газа через слой гранулированного теплоаккумулирующего материала с фазовым переходом // ДАН. 2018. Т. 479, № 4. C. 386-389. https://doi.org/10.7868/S0869565218100067

  31. Lutsenko N.A., Fetsov S.S. Numerical model of time-dependent gas flows through bed of granular phase change material // Int. J. Comput. Methods. 2020. Vol. 17. 1950010. https://doi.org/10.1142/S0219876219500105

  32. Lutsenko N.A., Fetsov S.S. Influence of gas compressibility on gas flow through bed of granular phase change material // Int. J. Heat Mass Tran. 2019. Vol. 130. P. 693-699. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.10.100

  33. Левин В.А., Луценко Н.А. Течение газа через пористую тепловыделяющую среду при учете температурной зависимости вязкости газа // ИФЖ. 2006. Т. 79, № 1. P. 35-40. (English version https://doi.org/10.1007/s10891-006-0063-8)

  34. Левин В.А., Луценко Н.А. Моделирование двумерных нестационарных течений газа в саморазогревающихся полигонах твердых бытовых отходов // Вычисл. мех. сплош. сред. 2011. Т. 4, № 1. C. 55-64. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2011.4.1.5

  35. Луценко Н.А. Численное моделирование трехмерных нестационарных течений газа через пористые объекты с источниками энерговыделения // Вычисл. мех. сплош. сред. 2016. Т. 9, № 3. С. 331-344. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2016.9.3.27

  36. Lutsenko N.A. Modeling of heterogeneous combustion in porous media under free convection // Proc. Combust. Inst. 2013. Vol. 34. P. 2289-2294. https://doi.org/10.1016/J.PROCI.2012.06.147

  37. Lutsenko N.A. Numerical model of two-dimensional heterogeneous combustion in porous media under natural convection or forced filtration // Combust. Theor. Model. 2018. Vol. 22. P. 359-377. https://doi.org/10.1080/13647830.2017.1406617

  38. Glazov S.V., Kislov V.M., Salgansky E.A., Rabinovich O.S., Malinouski A.I., Salganskaya M.V., Pilipenko E.N., Kolesnikova Yu.Yu. Effect of local rearrangements in the particle bed on the stability of filtration combustion of solid fuel // Int. J. Heat Mass Tran. 2017. Vol. 108. P. 1602-1609. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.12.097

  39. Podlesniy D.N., Zaichenko A.Yu., Salgansky E.A., Salganskaya M.V. Regularities of filtration combustion of bidisperse fuel mixtures in an inclined rotary reactor // Int. J. Heat Mass Tran. 2018. Vol. 127. P. 183-187. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.08.020

  40. https://www.rubitherm.eu/en/ (дата обращения: 25.07.2020)

  41. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978. 336 с.

  42. Годунов C.К., Рябенький В.С. Разносные схемы (введение в теорию). М.: Наука, 1977. 440 с.

Опубликован
2020-06-30
Как цитировать
Фецов, С. С., & Луценко, Н. А. (2020). Численный анализ влияния геометрии боковых стенок на эффективность тепловых аккумуляторов на основе гранулированных материалов с фазовыми переходами. Вычислительная механика сплошных сред, 13(2), 189-204. https://doi.org/https://doi.org/10.7242/1999-6691/2020.13.2.15
Раздел
Статьи