移动式相变蓄热装置蓄放热特性实验与数值计算研究

发布时间：2020-08-28 09:22

　　 我国工业部门在生产、制造过程中会产生大量的余热、废热资源,如果不加以合理回收利用就会造成能量的巨大浪费,加重能源供求紧张关系;与此同时,在我国北方城镇仍然存在大量建筑面积靠自备采暖效率并不高的小型燃煤锅炉来供暖,这不仅会造成能量利用率低,而且也会加重环境污染,因此寻求合理的方法解决上述两个矛盾迫在眉睫。移动式蓄热技术能将工业余热、废热收集并储存在自身蓄热材料中,经卡车输送到附近热用户处,为热用户提供热水或采暖,从而实现将热量供求双方在时间、地点和强度方面重新匹配,是解决上述热量供求矛盾问题理想方法。移动式相变蓄热装置由于具有蓄热密度大、热负荷稳定、安全可靠等优点成为移动式蓄热技术发展方向,但移动式相变蓄热装置由于自身相变蓄热材料导热系数低的原因蓄放热效率往往不高,为此本文利用实验与数值模拟的方法从相变蓄热装置蓄放热性能、高效相变蓄热材料的选取以及蓄热单元蓄放热结构优化等方面进行研究,力争为高效移动式相变蓄热装置的设计奠定基础。工业部门产生的余热、废热资源温度和余热量不同时刻可能会发生变化,因此探究工业余热资源变工况时热源温度与余热量对移动式相变蓄热装置回收利用余热资源过程中蓄放热过程的影响具有重要意义。本文采用Rubitherm#60石蜡类相变蓄热材料为蓄热介质,搭建了通过改变循环水温度、流量来研究余热、废热资源热源温度与余热量变工况时对移动式相变蓄热装置蓄放热性能影响的小型实验台。研究发现相变蓄热材料蓄热熔化过程与放热凝固过程都存在三个阶段,即固态显热、潜热以及液态显热蓄热阶段,其中显热蓄放热阶段温度变化大、上升速率快,换热方式以导热为主;潜热蓄放热阶段温度变化较小,换热方式对流为主、导热为辅。潜热蓄放热阶段会存在自然对流现象,它会促进蓄热材料的蓄热熔化过程及阻碍放热凝固过程,因此值得重点研究。此外,利用无量纲数表征蓄热装置蓄放热进行程度,蓄放热量及其变化量的大小可以通过柱状图得到。其次,本文以实验采用的增设横肋的开孔翅片为研究对象,利用ICEMCFD软件对蓄热单元进行几何建模、结构化六面体网格划分,并完成了网格独立性与可靠性验证。研究了综合性能最佳的相变蓄热材料选取,针对回收利用工业300℃的中低温余热、废热资源从而为热用户供应85℃的热水情况,对选取的10种常见的相变蓄热材料进行了数值计算,对比分析了该10种蓄热材料蓄放热量、蓄放热速率以及速度矢量图。综合考虑,#5(56%LiNO3-44%NaNO3)相变蓄热材料由于具有较大的蓄放热量和较高的蓄放热速率,可以认为本文特定工况下研究的所有蓄热材料中性能最优的相变蓄热材料。最后,通过数值模拟方法研究了蓄热单元换热结构强化换热优化方案,包括翅片开孔尺寸、横肋截面尺寸、翅片间距以及翅片厚度。研究表明,翅片开孔和横肋强化换热性能的原理不同,前者为打断和重新生成热边界层;后者为增强蓄热熔化过程和阻碍放热凝固过程中自然对流的扰动作用;翅片间距和翅片厚度则是通过改变蓄热单元平均传热热阻来改变蓄放热性能,减小翅片间距以及增大翅片厚度对蓄热单元蓄放热性具有非常显著的效果,改善效果要明显优于翅片开孔以及增设横肋,但要考虑到蓄热装置可能增加的质量以及初期投资问题,需要进行综合考虑。本文得到相关结论可以为移动式相变蓄热装置的设计、优化与工程应用奠定基础。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU832;TK115
【部分图文】：

炼厂、化工厂、水泥厂等工业部门产生的余热、废热资源并储存在储热材料中，逡逑然后以车载的方式转运到热用户处，从而实现余热、废热资源在区域和时间上的逡逑重新分布，提高能源利用率，降低能耗。移动式蓄热技术应用示意图如图１－２所逡逑７ＪＣ邋0逡逑４逡逑

山东大学硕士学位论文逡逑利用技术应用过程中具有更加稳定、可靠的特点。图１－２和图１－３分别为接触式逡逑蓄热装置和非接触式蓄热装置示意图。逡逑Ｃｈａｒｇｉｎｇ／ｄＮｓｃｆｔａｒｇｉｎｇ逡逑＇逦Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ邋ｓｐａｃｅ邋逦＼逦－逡逑ｆＳａｍｐｅ逡逑＾ｉｔｐｕｔ邋ＰＴＦＥ邋ｐｉｐｅ逡逑／邋？－逦逦－二逦逦逦逦逡逑Ｓｏｄｉｕｍ邋ａｃｅｔａｔｅ邋ｊｙ逦＝ａｎ９？逡逑ｍｐｕｔ邋Ｐ了Ｆ￡邋ｐｉｐｅ逡逑图１－３接触式蓄热装置逡逑ｒｉ：ｔ｜邋１１１邋％ｌ逡逑？热体外壳不锈锅ｉ热体逦绝热ｗ料逡逑图１＿４非接触式蓄热装置逡逑Ｌｉ等人研究了移动式蓄热技术供热经济性问题，研究表明，利用移动式逡逑蓄热技术装置供应ｌｋＷｈ热量的成本与运输距离呈正比、与热源品质成反比。相逡逑比生物质／沼气／油锅炉设备以及空气源热泵采暖方式，对于运输距离近、热需求逡逑量大的热用户更适合采用移动式蓄热技术，移动式蓄热技术供热成本在０．０３－逡逑０．０６ＵＳＤ／ｋＷｈ邋之间。逡逑Ｇｕｏ等人［２（），２１］针对我国北方某城市移动式相变蓄热技术供热案例进行了技逡逑术与经济性可行性研宄，热用户为居民住宅区２４ｈ连续采暖，采暖总功率为逡逑４２２．５ｋＷ，热源来自１３ｋｍ处炼焦厂废气，废气温度为１４０°Ｃ。研宄表明，由于换逡逑热温差以及散热问题的存在，此移动式蓄热装置不适用采用散热片取暖方式，建逡逑议采用风机盘管或地暖的形式。此外

山东大学硕士学位论文逡逑利用技术应用过程中具有更加稳定、可靠的特点。图１－２和图１－３分别为接触式逡逑蓄热装置和非接触式蓄热装置示意图。逡逑Ｃｈａｒｇｉｎｇ／ｄＮｓｃｆｔａｒｇｉｎｇ逡逑＇逦Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ邋ｓｐａｃｅ邋逦＼逦－逡逑ｆＳａｍｐｅ逡逑＾ｉｔｐｕｔ邋ＰＴＦＥ邋ｐｉｐｅ逡逑／邋？－逦逦－二逦逦逦逦逡逑Ｓｏｄｉｕｍ邋ａｃｅｔａｔｅ邋ｊｙ逦＝ａｎ９？逡逑ｍｐｕｔ邋Ｐ了Ｆ￡邋ｐｉｐｅ逡逑图１－３接触式蓄热装置逡逑ｒｉ：ｔ｜邋１１１邋％ｌ逡逑？热体外壳不锈锅ｉ热体逦绝热ｗ料逡逑图１＿４非接触式蓄热装置逡逑Ｌｉ等人研究了移动式蓄热技术供热经济性问题，研究表明，利用移动式逡逑蓄热技术装置供应ｌｋＷｈ热量的成本与运输距离呈正比、与热源品质成反比。相逡逑比生物质／沼气／油锅炉设备以及空气源热泵采暖方式，对于运输距离近、热需求逡逑量大的热用户更适合采用移动式蓄热技术，移动式蓄热技术供热成本在０．０３－逡逑０．０６ＵＳＤ／ｋＷｈ邋之间。逡逑Ｇｕｏ等人［２（），２１］针对我国北方某城市移动式相变蓄热技术供热案例进行了技逡逑术与经济性可行性研宄，热用户为居民住宅区２４ｈ连续采暖，采暖总功率为逡逑４２２．５ｋＷ，热源来自１３ｋｍ处炼焦厂废气，废气温度为１４０°Ｃ。研宄表明，由于换逡逑热温差以及散热问题的存在，此移动式蓄热装置不适用采用散热片取暖方式，建逡逑议采用风机盘管或地暖的形式。此外

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 杨波;李汛;赵军;;移动蓄热技术的研究进展[J];化工进展;2013年03期

2 房丛丛;钱焕群;;相变蓄热技术及其应用[J];节能;2011年Z2期

3 连红奎;李艳;束光阳子;顾春伟;;我国工业余热回收利用技术综述[J];节能技术;2011年02期

4 叶锋;曲江兰;仲俊瑜;王彩霞;孟立静;杨军;丁玉龙;;相变储热材料研究进展[J];过程工程学报;2010年06期

5 陈振乾;顾明伟;施明恒;;泡沫金属内石蜡相变凝固的数值模拟[J];热科学与技术;2010年02期

6 赵钦新;王宇峰;王学斌;惠世恩;徐通模;;我国余热利用现状与技术进展[J];工业锅炉;2009年05期

7 张涛;余建祖;高红霞;;自然对流对泡沫金属复合相变储能的影响实验研究[J];制冷学报;2009年01期

8 A·H·艾尔伊莎;M·I·艾尔威甸;林建忠;吴承平;;三角形穿孔翅片对自然对流传热的强化作用[J];应用数学和力学;2008年08期

9 张声远;杨秀;江亿;;我国建筑能源消耗现状及其比较[J];中国能源;2008年07期

10 王建平;张兴祥;;相变材料微胶囊研究进展[J];材料导报;2007年04期

相关博士学位论文 前3条

1 王艺斐;串联式多相变储热实验与数值模拟研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2016年

2 郭少朋;移动式余热利用系统蓄热器实验和模拟研究及经济性分析[D];天津大学;2013年

3 左远志;熔融盐高温斜温层混合蓄热的热过程特性[D];华南理工大学;2010年

相关硕士学位论文 前10条

1 王美俊;移动式余热利用系统蓄热器数值模拟与优化研究[D];华北电力大学;2017年

2 李玉琦;直翅式热沉自然对流散热强化技术研究[D];郑州大学;2016年

3 徐明;相变蓄热换热器的数值模拟及优化设计[D];西安建筑科技大学;2015年

4 郭文帅;双热源热泵相变蓄能换热器性能数值模拟和实验研究[D];南昌大学;2014年

5 秦朋;中温相变材料甘露醇蓄放热特性的实验研究与数值模拟[D];华南理工大学;2014年

6 杨进学;熔融盐物性精度对传热特性影响分析及粘度推算[D];北京工业大学;2012年

7 刘风国;NaNO_2-KNO_3-NaNO_3三元熔盐体系物理化学性质与结构的研究[D];东北大学　;2009年

8 王京平;建筑相变材料保温性能试验研究[D];武汉理工大学;2009年

9 欧阳梅;针翅管式相变蓄热换热性能的数值模拟[D];重庆大学;2009年

10 徐建霞;中温太阳能集热系统相变材料的贮能性能及过冷特性的研究[D];广东工业大学;2008年

本文编号：2807393