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

Автор: Фецов Сергей Сергеевич, Луценко Николай Анатольевич

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 2 т.13, 2020 года.

Бесплатный доступ

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.

Еще

Накопитель тепловой энергии, фазовый переход, пористая среда, численное моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/143172489

IDR: 143172489   |   УДК: 532.546   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2020.13.2.15

Numerical analysis of the influence of side wall shape on the efficiency of thermal energy storages based on granular phase change materials

This work is devoted to a numerical study of processes in thermal energy storages based on granular phase change materials. The influence of the side walls shape on the efficiency of such heat accumulators is studied when the plane-parallel flows of gas heat transfer fluid take place. The shape of the energy storage affects the heat transfer fluid flow in the object, and this affects the heat transfer, heat accumulation and heat recovery. Using the novel numerical model, the influence of narrowing and expansion of the side walls on the charging and discharging processes of thermal energy storages with rectangular cross sections are studied under two types of boundary conditions: the known mass flow rate of gas at the object inlet and the known gas pressure drop at its open borders for different phase change temperatures of the phase change material .Different efficiency criteria are used to estimate the preferred shape of a heat storage. For the charging process, the preference criteria considered are the maximum instantaneous storage efficiency, the maximum cumulative storage efficiency, and the minimum time to fully charge the device. For the discharge process, the considered preference criteria are the maximum energy recovery efficiency, the maximum total utilization ratio, and the maximum time to maintain the temperature of the heat transfer fluid at the outlet not lower than the desired value. It is shown that the preferred shape of the energy storage depends on the choice of the efficiency criterion and specific process conditions such as boundary conditions, phase transition temperature, etc. Narrowing and expanding thermal energy storages have an advantage in rare cases, and storages with straight walls are often most preferable.

Еще

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

  • Попель О.С., Фортов В.Е. Возобновляемая энергетика в современном мире. М.: Издательский дом МЭИ, 2015. 450 с.
  • 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.
  • 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.
  • Nazir H., Batool M., Bolivar Osorio F.J., Isaza-Ruiz M., Xu X., Vignarooban K., Phelan P., Inamuddin, Kannanai 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ольховский Г.Г., Казарян В.А., Столяревский А.Я. Воздушно-аккумулирующие газотурбинные электростанции (ВАГТЭ). Москва, Ижевск: Ин-т компьютерных исслед., 2011. 358 с.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Александров Д.В. Теория затвердевания с квазиравновесной двухфазной зоной // ДАН. 2000. Т. 375, № 2. С. 172-176.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Rady M. Granular phase change materials for thermal energy storage: Experiments and numerical simulations // Appl. Therm. Eng. 2009. Vol. 29. P. 3149-3159.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Lutsenko N.A. Modeling of heterogeneous combustion in porous media under free convection // Proc. Combust. Inst. 2013. Vol. 34. P. 2289-2294.
  • 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.
  • 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.
  • 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://www.rubitherm.eu/en/ (дата обращения: 25.07.2020)
  • Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978. 336 с.
  • Годунов C.К., Рябенький В.С. Разносные схемы (введение в теорию). М.: Наука, 1977. 440 с.
Еще