基于微通道平板换热器的相变材料放热性能影响研究
发布时间：2021-04-05 21:58
掌握相变材料蓄、放热过程的影响因素对提高相变蓄、放热效率具有重要的指导意义。本文建立了平板换热器相变换热单元模型,基于Fluent软件的凝固/融化模型,以南瑞集团自主研发的乙酸钠基复合相变材料对其凝固放热过程进行仿真,分析了不同换热结构、流体流速以及相变材料厚度对相变材料换热过程的影响,并对平板换热器相变换热单元结构优化,创新性的设计了微通道平板换热器相变换热单元。结果表明:换热器的结构对换热性能有着重要的影响,相比于普通的平板式换热器,微通道换热器能明显地降低相变材料放热时间;流体流速增大放热速度有所提高,但是容易导致速度场温度场不均匀,换热性能提升有限。相变材料凝固总时间随相变材料厚度的增加而增加,对于相变蓄热产品,需按照设计时间对相变单元相变材料厚度进行选型。最后以仿真结果制备相变样机、搭建储/放热系统,并对比实验数据验证模拟结果。
【文章来源】：储能科学与技术. 2020,9(06)CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
相变换热单元结构示意图Fig.1Schematicdiagramofthermalelementstruc‐tureofphasetransformationh=h+∫TCdT(5)
储能科学与技术2020年第9卷放热量及各个测点数据。以流量0.7m3/h(0.6m/s入口流速)、入口温度27℃进行测试，并整理实验数据。图13为模拟与实验对比出水温度变化图。对比实验数据与模拟结果，可知模拟结果基本准确，1000~10000s，实验图10实验系统实物图Fig.10Physicalpictureoftheexperimentalsystem图11测试系统示意图Fig.11Schematicdiagramoftestsystem图9入口流速为0.6m/s时、不同厚度的相变材料，微通道平板换热器相变换热单元出水温度变化图Fig.9Diagramofoutletwatertemperatureofphasetransformationheatunitofmicro-channelflatheatexchangerwithphasechangematerialofdifferentthickness(u=0.6m/s)图8入口流速为0.6m/s、5000s时不同厚度的相变材料放热对比Fig.8ComparisonofheatreleaseofPCMwithdifferentthicknessat5000s(u=0.6m/s)图7入口流速为3m/s时放热10000s时两种换热结构对比Fig.7Comparisonoftwoheattransferstructuresat10000s(u=3m/s)1752
储能科学与技术2020年第9卷相变材料液化分数变化图。网格数239.6万与508.2万液相分数相差仅1.06%，故取239.6万网格数进行后续计算。2结果与讨论2.1不同换热结构对相变时间的影响以0.6m/s流速，对换热单元进行仿真，结果如图3所示。图3为两种换热结构液相分数变化图。由图可知，不同换热结构相变材料放热凝固趋势是一样的。在放热初期，相变材料的液相分数均随时间线性规律迅速减少，后期凝固速度逐渐变缓。这是因为随着放热进行，热量需以导热形式穿过一定厚度的固相相变材料层，凝固的相变材料越来越多，传热热阻逐渐增大，换热速率降低。在放热10000s时，微通道平板换热器相变换热单元液相分数剩余5.4%，平板换热器相变换热单元液相分数为14.3%。图4为放热10000s时两种换热结构在y=200mm截面的温度和液相分数云图。由图可知，换热器的结构对相变换热单元换热性能有重要影响。优化后的微通道平板换热器换热性能大大增强，相变换热单元放热速率增大。2.2不同流速下相变材料凝固放热过程以入口流速为0.6m/s、1m/s、3m/s，入口水温27℃，对换热单元进行仿真，结果如图5所示。图5为两种相变换热单元截面速度矢量图。由图可知，速度0.6m/s时，平板换热结构边界流速大，中间流体流速小，速度分布不均匀。入口速度1m/s、3m/s时，边界流速进一步增大，中间部分流速仍较低，速度分布极不均匀。对比图4(a)、4(b)，图6(a)、6(b)及图7(a)、7(b)可知，因流场大涡的形成，平板换热结构温度场在中间部分较高，并且流速越大时温度分布越不均匀；图4(b)中0.6m/s入口流速下，10000s时平板换热器相变单?
【参考文献】：
期刊论文
[1]清洁供暖储热技术现状与趋势[J]. 凌浩恕,何京东,徐玉杰,王亮,陈海生. 储能科学与技术. 2020(03)
[2]电锅炉与相变蓄热换热器联合供暖的经济性[J]. 陈洪哲,朱能,杨昆,杨珊,马胜明. 煤气与热力. 2019(07)
[3]不同盐水比对三水醋酸钠混合体系稳定过冷影响的研究[J]. 袁维烨,章学来,华维三,韩兴超,王章飞. 化工新型材料. 2019(04)
[4]石蜡/膨胀石墨复合相变储热单元的放热性能[J]. 张佳利,丁宇,曲丽洁,何正斌,伊松林. 储能科学与技术. 2019(01)
[5]尿素/三水醋酸钠复合相变材料热物性研究[J]. 张宇迪,章学来,纪珺,郑钦月. 能源研究与利用. 2018(06)
[6]典型蓄热式电采暖项目经济性对比分析[J]. 苗常海,白中华,王雯,孙奉昌,张沛,杨盼. 电力需求侧管理. 2018(06)
[7]纳米成核剂对三水醋酸钠蓄热性能的影响[J]. 杜晓冬,章学来,丁锦宏,华维三,刘锋. 建筑节能. 2017(09)
[8]基于复合相变材料储热单元的储热特性[J]. 李传,葛志伟,金翼,李永亮,丁玉龙. 储能科学与技术. 2015(02)
[9]储热技术基础（Ⅰ）——储热的基本原理及研究新动向[J]. 李永亮,金翼,黄云,叶锋,汪翔,李大成,王彩霞,丁玉龙. 储能科学与技术. 2013(01)
[10]三水合醋酸钠的相变贮热性能[J]. 郎雪梅,叶菊招. 材料开发与应用. 2003(01)
博士论文
[1]硬脂酸基复合相变储能材料的制备、热性能及数值模拟研究[D]. 马贵香.中国科学院大学(中国科学院青海盐湖研究所) 2019
本文编号：3120175
【文章来源】：储能科学与技术. 2020,9(06)CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
相变换热单元结构示意图Fig.1Schematicdiagramofthermalelementstruc‐tureofphasetransformationh=h+∫TCdT(5)
储能科学与技术2020年第9卷放热量及各个测点数据。以流量0.7m3/h(0.6m/s入口流速)、入口温度27℃进行测试，并整理实验数据。图13为模拟与实验对比出水温度变化图。对比实验数据与模拟结果，可知模拟结果基本准确，1000~10000s，实验图10实验系统实物图Fig.10Physicalpictureoftheexperimentalsystem图11测试系统示意图Fig.11Schematicdiagramoftestsystem图9入口流速为0.6m/s时、不同厚度的相变材料，微通道平板换热器相变换热单元出水温度变化图Fig.9Diagramofoutletwatertemperatureofphasetransformationheatunitofmicro-channelflatheatexchangerwithphasechangematerialofdifferentthickness(u=0.6m/s)图8入口流速为0.6m/s、5000s时不同厚度的相变材料放热对比Fig.8ComparisonofheatreleaseofPCMwithdifferentthicknessat5000s(u=0.6m/s)图7入口流速为3m/s时放热10000s时两种换热结构对比Fig.7Comparisonoftwoheattransferstructuresat10000s(u=3m/s)1752
储能科学与技术2020年第9卷相变材料液化分数变化图。网格数239.6万与508.2万液相分数相差仅1.06%，故取239.6万网格数进行后续计算。2结果与讨论2.1不同换热结构对相变时间的影响以0.6m/s流速，对换热单元进行仿真，结果如图3所示。图3为两种换热结构液相分数变化图。由图可知，不同换热结构相变材料放热凝固趋势是一样的。在放热初期，相变材料的液相分数均随时间线性规律迅速减少，后期凝固速度逐渐变缓。这是因为随着放热进行，热量需以导热形式穿过一定厚度的固相相变材料层，凝固的相变材料越来越多，传热热阻逐渐增大，换热速率降低。在放热10000s时，微通道平板换热器相变换热单元液相分数剩余5.4%，平板换热器相变换热单元液相分数为14.3%。图4为放热10000s时两种换热结构在y=200mm截面的温度和液相分数云图。由图可知，换热器的结构对相变换热单元换热性能有重要影响。优化后的微通道平板换热器换热性能大大增强，相变换热单元放热速率增大。2.2不同流速下相变材料凝固放热过程以入口流速为0.6m/s、1m/s、3m/s，入口水温27℃，对换热单元进行仿真，结果如图5所示。图5为两种相变换热单元截面速度矢量图。由图可知，速度0.6m/s时，平板换热结构边界流速大，中间流体流速小，速度分布不均匀。入口速度1m/s、3m/s时，边界流速进一步增大，中间部分流速仍较低，速度分布极不均匀。对比图4(a)、4(b)，图6(a)、6(b)及图7(a)、7(b)可知，因流场大涡的形成，平板换热结构温度场在中间部分较高，并且流速越大时温度分布越不均匀；图4(b)中0.6m/s入口流速下，10000s时平板换热器相变单?
【参考文献】：
期刊论文
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[2]电锅炉与相变蓄热换热器联合供暖的经济性[J]. 陈洪哲,朱能,杨昆,杨珊,马胜明. 煤气与热力. 2019(07)
[3]不同盐水比对三水醋酸钠混合体系稳定过冷影响的研究[J]. 袁维烨,章学来,华维三,韩兴超,王章飞. 化工新型材料. 2019(04)
[4]石蜡/膨胀石墨复合相变储热单元的放热性能[J]. 张佳利,丁宇,曲丽洁,何正斌,伊松林. 储能科学与技术. 2019(01)
[5]尿素/三水醋酸钠复合相变材料热物性研究[J]. 张宇迪,章学来,纪珺,郑钦月. 能源研究与利用. 2018(06)
[6]典型蓄热式电采暖项目经济性对比分析[J]. 苗常海,白中华,王雯,孙奉昌,张沛,杨盼. 电力需求侧管理. 2018(06)
[7]纳米成核剂对三水醋酸钠蓄热性能的影响[J]. 杜晓冬,章学来,丁锦宏,华维三,刘锋. 建筑节能. 2017(09)
[8]基于复合相变材料储热单元的储热特性[J]. 李传,葛志伟,金翼,李永亮,丁玉龙. 储能科学与技术. 2015(02)
[9]储热技术基础（Ⅰ）——储热的基本原理及研究新动向[J]. 李永亮,金翼,黄云,叶锋,汪翔,李大成,王彩霞,丁玉龙. 储能科学与技术. 2013(01)
[10]三水合醋酸钠的相变贮热性能[J]. 郎雪梅,叶菊招. 材料开发与应用. 2003(01)
博士论文
[1]硬脂酸基复合相变储能材料的制备、热性能及数值模拟研究[D]. 马贵香.中国科学院大学(中国科学院青海盐湖研究所) 2019
本文编号：3120175
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