结合当前国内外学者对超临界流体管内对流换热方面的研究成果分析超临界空气热物性参数的变化情况,发现在超临界压力下空气与二氧化碳的主要热物性参数随温度的变化情况较为一致,因此从以往的超临界二氧化碳对流传热实验式中选择Jackson关联式和Dang关联式分别计算蓄冷和释冷工况下超临界空气在翅片管内的对流换热。

在Matlab环境下建立计算模型,根据蓄冷功率假设管内质量流量、管间距、管内壁温度等参数,编制程序进行数值计算,并将管内对流换热量与管外的固体导热量校核,以此确定出合适的管内质量流量、管子根数、管间距和管长,并完成对10k W蓄冷装置样机内部管子排列方式的设计和系统运行方案的确定,设计了高度为3m的样机的模型。

在完成样机设计的基础上,运用CFD软件建立相关模型分别对蓄冷装置在蓄冷、保冷、释冷三个过程进行数值模拟,其中蓄冷和释冷过程选用SST k-ω模型作为湍流模型,保冷过程选用聚乙烯软泡沫塑料作为保温材料,并通过计算对比选定厚度为500mm,通过模拟计算得到蓄冷装置具体的蓄释冷性能和循环效率.

结果表明:1)蓄冷结束后蓄冷材料平均温度降低144.6K,装置轴向的温度分布随着蓄冷时间逐渐变得均匀,蓄冷材料在高度1.5m以内温度在134K左右,且沿径向分布均匀,当高度在1.5-3m时径向温度差异明显增大且在150K以上。2)保冷过程主要受环境温度和风速的影响,在各季节平均温度和风速下计算得到装置8小时保冷结束后的冷量损失,其中夏季冷量损失最高为1923.37k J,蓄冷效率95.17%;冬季的冷量损失最低为738.59k J,蓄冷效率98.14%。3)释冷结束后蓄冷材料整体平均温度上升100.26K,各高度截面蓄冷材料温度沿径向分布均匀,拥有较高斜温层,但蓄冷材料整体温度传递的速率较慢,经过多次循环,最终的循环效率在92%以上.