分形结构换热器中PCM熔化传热特性研究
发布时间：2020-08-26 18:22
【摘要】：近年来,基于相变材料(PCM)的储热技术广泛应用于建筑节能、燃料电池热控、电子设备冷却和暖通空调等领域。然而,由于大多数PCM的导热系数低,严重制约了相变储热技术在实际工程中的应用推广。考虑到易操作和成本低的优势,添加翅片强化固液相变传热在实际工程应用中最为普遍。然而,由于添加翅片削弱了储热容量的潜力,因而优化翅片的几何结构对于相变储热装置的性能提升具有重要的意义。目前,国内外对相变储热装置几何结构优化的理论研究开展较少,而且传统换热装置的几何结构过于单一,亟需对其空间配置进行优化以提升相变储热的效率。为此,本文将分形几何拓展应用于固液相变强化传热,构建了十字分形多孔金属结构和雪花分形换热器,为固液相变换热器的效能提升提供了新思路。在对十字分形多孔金属与雪花分形换热器进行几何结构描述的基础上,建立了换热器内PCM熔化过程的理论模型并进行数值研究。定量分析了固体骨架的结构特性和工况参数对固液相变传热特性的影响机理,分别建立了多孔金属结构参数(孔隙率、分形维数)和雪花分形肋片的指数α以及工况参数与固液相变传热性能之间的内在联系,从而为固液相变换热装置的优化设计提供了数据支撑。最后,设计并搭建了雪花分形换热器内固液相变传热特性研究的可视化实验平台,实时观测了雪花分形换热器中PCM在熔化过程中两相界面的形貌演变,测量并分析了雪花分形换热器轴向和径向的动态温度特性,并与传统的直肋式换热器进行了对比。定量分析了自然对流和工况参数对固液相变传热特性的影响机理,进一步揭示了雪花分形结构对固液相变传热过程的强化作用。
【学位授予单位】：苏州科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU831
【图文】：
相变传热的研究现状，最后引出了本文所要研究的内容。1.1 问题的提出及研究的意义近年来，人们对固液相变储能技术已经进行了比较深入的研究并取得了一定的进展。固液相变储能技术有着储热密度高、体积小巧、温度控制恒定、节能效果显著、相变温度选择范围宽、易于控制等优点[1]，目前已广泛应用于建筑、燃料电池、电子设备、暖通空调等诸多领域[2-5]。例如在建筑领域，将相变材料（PCM）掺入到建筑材料中，加工成相变储能维护结构，可以大大增加维护结构的储热功能。由于相变储能维护结构的储热作用，建筑物室内和室外之间的热流波动幅度会被减弱，作用时间被延迟，从而可以降低建筑物供暖、空调系统的设计负荷，达到节能的目的[6]。然而大多数相变材料特别是有机相变材料却存在导热系数低等缺点从而限制了其使用范围。同时，随着科学技术的发展，各种技术领域相变储能的传热速度、冻融速率、以及蓄热密度等要求也越来越高[7]。因而，如何强化固液相变传热成为传热传质学科领域一个重要研究课题和研究热点。
使得室内的温度上升速率减缓。Schossig 等[19]的研究表明，相变砖墙能够有效改善室内温度的波动性，使得舒适性增加。Fang 等[20]将蒙脱石与一种相变点为 23℃的有机相变材料 RT20 进行复合，制得一种新型的复合相变材料。该种 PCM 可以很好的与石膏板进行互容，将其加入石膏板中，可以作为一种新型的建筑材料，能有效地降低室内温度的波动幅度。新型的蓄冷空调是利用夜间谷价电打开压缩机进行制冷储能，而在白天峰价电的时候关闭空调压缩机，利用夜间储存的冷量进行空调制冷，以达到省钱的目的。目前来说，蓄冷的方式主要有四种，分别为水蓄冷、冰蓄冷、共晶盐蓄冷以及水合物蓄冷，前两种方式在实际应用中较为常用，但水蓄冷的储能密度较小，空间占地大，而冰蓄冷的成本又过高，所以目前的专家学者都着眼于后两种 PCM 蓄冷的研究。GschwanderS 等[21]进一步改善了相变微胶囊的载体的坚韧性，使得相变微胶囊在泵机运输过程中不会出现损坏，能更好地应用于蓄冷空调的领域中。文越华等[22]将增稠剂和成核剂加入到 PCM 中，使得 PCM 不再出现相分离与过冷的现象，进一步增强了 PCM 的稳定性。同时，在此基础上，再加入氯化钾、氯化铵以及硫酸铵等结晶盐，使得整个复合相变材料的相变温度降低到 10℃左右，以便进一步应用于空调蓄冷中。
大学硕士论文 第一章 绪]为了改善储热系统热响应性能，将 PCM 填充到纳米级孔隙的泡沫金属中，于热平衡假设的数学模型，研究了 PCM 的体积分数和泡沫金属的孔隙率对过程中固液两相界面的演变、等温线分布和液相率分布的影响。研究结果表明金属的存在下，PCM 完成相变的总时间减少了 96%。Yao 等[32]研究了间隙对高孔隙率开孔泡沫金属/石蜡复合相变材料传热性能的影响。通过比较模熔化前端与实验观察的结果，验证了间隙传热系数的相关性可以用于很好地金属中石蜡的相变过程。Yao 等[33]对高孔隙率泡沫铜孔隙中石蜡的熔化相行了可视化研究。实验结果表明高孔隙率的泡沫铜有效提高了石蜡的热响应蜡的熔化速率增加了两倍，而熔化潜热的减少仅有 2.6%。
本文编号：2805530
【学位授予单位】：苏州科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU831
【图文】：
相变传热的研究现状，最后引出了本文所要研究的内容。1.1 问题的提出及研究的意义近年来，人们对固液相变储能技术已经进行了比较深入的研究并取得了一定的进展。固液相变储能技术有着储热密度高、体积小巧、温度控制恒定、节能效果显著、相变温度选择范围宽、易于控制等优点[1]，目前已广泛应用于建筑、燃料电池、电子设备、暖通空调等诸多领域[2-5]。例如在建筑领域，将相变材料（PCM）掺入到建筑材料中，加工成相变储能维护结构，可以大大增加维护结构的储热功能。由于相变储能维护结构的储热作用，建筑物室内和室外之间的热流波动幅度会被减弱，作用时间被延迟，从而可以降低建筑物供暖、空调系统的设计负荷，达到节能的目的[6]。然而大多数相变材料特别是有机相变材料却存在导热系数低等缺点从而限制了其使用范围。同时，随着科学技术的发展，各种技术领域相变储能的传热速度、冻融速率、以及蓄热密度等要求也越来越高[7]。因而，如何强化固液相变传热成为传热传质学科领域一个重要研究课题和研究热点。
使得室内的温度上升速率减缓。Schossig 等[19]的研究表明，相变砖墙能够有效改善室内温度的波动性，使得舒适性增加。Fang 等[20]将蒙脱石与一种相变点为 23℃的有机相变材料 RT20 进行复合，制得一种新型的复合相变材料。该种 PCM 可以很好的与石膏板进行互容，将其加入石膏板中，可以作为一种新型的建筑材料，能有效地降低室内温度的波动幅度。新型的蓄冷空调是利用夜间谷价电打开压缩机进行制冷储能，而在白天峰价电的时候关闭空调压缩机，利用夜间储存的冷量进行空调制冷，以达到省钱的目的。目前来说，蓄冷的方式主要有四种，分别为水蓄冷、冰蓄冷、共晶盐蓄冷以及水合物蓄冷，前两种方式在实际应用中较为常用，但水蓄冷的储能密度较小，空间占地大，而冰蓄冷的成本又过高，所以目前的专家学者都着眼于后两种 PCM 蓄冷的研究。GschwanderS 等[21]进一步改善了相变微胶囊的载体的坚韧性，使得相变微胶囊在泵机运输过程中不会出现损坏，能更好地应用于蓄冷空调的领域中。文越华等[22]将增稠剂和成核剂加入到 PCM 中，使得 PCM 不再出现相分离与过冷的现象，进一步增强了 PCM 的稳定性。同时，在此基础上，再加入氯化钾、氯化铵以及硫酸铵等结晶盐，使得整个复合相变材料的相变温度降低到 10℃左右，以便进一步应用于空调蓄冷中。
大学硕士论文 第一章 绪]为了改善储热系统热响应性能，将 PCM 填充到纳米级孔隙的泡沫金属中，于热平衡假设的数学模型，研究了 PCM 的体积分数和泡沫金属的孔隙率对过程中固液两相界面的演变、等温线分布和液相率分布的影响。研究结果表明金属的存在下，PCM 完成相变的总时间减少了 96%。Yao 等[32]研究了间隙对高孔隙率开孔泡沫金属/石蜡复合相变材料传热性能的影响。通过比较模熔化前端与实验观察的结果，验证了间隙传热系数的相关性可以用于很好地金属中石蜡的相变过程。Yao 等[33]对高孔隙率泡沫铜孔隙中石蜡的熔化相行了可视化研究。实验结果表明高孔隙率的泡沫铜有效提高了石蜡的热响应蜡的熔化速率增加了两倍，而熔化潜热的减少仅有 2.6%。
【参考文献】
相关期刊论文 前5条
1 吴梁玉;陈永平;张程宾;施明恒;;交变温度作用下填充PCM砖墙的动态传热特性[J];太阳能学报;2012年09期
2 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
3 梁辰;闫全英;;相变储能技术的研究和发展[J];建筑节能;2007年12期
4 丁剑红;张寅平;王馨;杨睿;林坤平;;掺杂对定形相变材料导热系数的影响[J];太阳能学报;2005年06期
5 文越华,张公正,王正刚,张海龙;Na_2SO_4·10H_2O复合相变储冷体系的热力学性质[J];北京理工大学学报;1999年06期
本文编号：2805530
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