中低温工业烟气余热回收的相变储能换热器研究

发布时间：2019-09-18 07:01

【摘要】：我国工业烟气余热资源丰富,回收利用烟气余热是实现生产中节能减排的重要一环。在工业用能中,能量品位较高的烟气余热利用较好,而较低的中低温烟气余热会直接排放掉,造成严重的能源浪费。本文以利用较低品位烟气余热的相变储热换热器为研究对象,以提高相变储热换热器储热效率为研究目的,通过实验和数值模拟的研究方法,研究了不同储热装置换热管结构对于相变换热过程中换热系数的影响。通过对比分析不同换热管结构对相变换热器中相变材料完全熔化时间的影响,筛选出强化传热效果最优的相变换热器中换热管结构。本课题其主要研究内容和结论如下:1、根据不同中低温相变材料的特点,筛选出了两种符合本课题研究内容的中低温相变材料。通过步冷这一实验方法,确定相变材料的相变温度、过冷度、传热均匀性、相变材料相变的稳定性,认为三水醋酸钠适合作为本课题研究的相变材料,该相变材料的相变温度为57℃,相变潜热大,相变性能稳定,过冷度小。2、根据数值模拟的研究方法,先用ANSYS-Fluent建立了 12组不同换热管结构相变蓄热单元的传热模型,模拟出了不同相变单元的相变过程,计算得到了不同换热单元的熔化过程的液相率随时间变化的关系曲线及出口烟气温度随时间变化的曲线,结果显示,翅片管结构的相变换热器相变传热效率要远大于光管结构的相变换热器,且当翅片间距L=6mm,翅片高度H=4mm时的翅片管结构为最优的换热管结构。再根据研究的最优换热管结构,用ANSYS-Fluent建立了光管和翅片管整体相变换热装置的传热模型,结果显示,翅片管相变换热装置中相变材料完全熔化的时间比光管换热中相变材料完全熔化的时间减少20.8%,说明该结构具有明显提高相变储能效率的作用。3、为验证模拟仿真的结果正确性,设计并制作了 5管程的U型管型相变换热器,以三水醋酸钠为相变材料,并搭建了测量相变换热器传热过程中的相关测点温度及流量实验平台。对比实验和仿真的结果表明,实验与仿真中相变材料的完全熔化的时间分别为780min和755min,相差25min,误差为3.3%,说明仿真结果正确。
【图文】：

相变储能,基本原理,相变材料

多余的热量或直接排放掉的热量存储起来，在需要时再将其释放出来加以利用，逡逑这就是相变储能的基本原理。相变储能技术可以将外界环境的温度维持在一定稳逡逑定的范围内，相变材料储能过程的基本原理如图２．１所示。逡逑Ｊ邋‘逡逑苔热过程逦放热过程逡逑逦１逦１逡逑／邋．逡逑eA热／逦＼显热逡逑／逦＼逡逑一＾逦逦逦＾＿＿＾…相变温度逡逑显－热潜热逦潜热．逡逑热逡逑时间逡逑图２．１相变储能基本原理逡逑Ｆｉｇ２．１邋Ｔｈｅ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｐｈａｓｅ邋ｃｈａｎｇｅ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｓｔｏｒａｇｅ逡逑在相变过程中相变储能介质一般是等温或近似等温的过程，相变材料因为相逡逑变而吸收或释放出的能量称为相变潜热。金属的相变潜热一般在４５０Ｋ．Ｉ／ｋｇ左右，逡逑而某些无机盐的相变潜热则高达ｌＯＯＯＫＪ／ｋｇ，如ＬｉＦ。相变材料在熔化时将吸收大逡逑量的相变热量，在凝固时能够吸收大量的相变冷量，这使得对相变储能技术的研逡逑究变得非常有意义。逡逑任何一种物质固相中的分子和液相中的分子之间有相对大得多的自由运动，逡逑它们之间有相对较高的能量。物质的相变主要分为在固一液相变、液一气相变、逡逑固一气相变，这三个相变它们的相变潜热是依次递增的。逡逑２．丨．２相变材料简介逡逑相变材料（相变材料－Ｐｈａｓｅ邋Ｃｈａｎｇｅ邋Ｍａｔｅｒｉａｌ）是指物质相态可以随温度变化而逡逑发生改变的物质。相变材料分类方式较多，根据相变温度，相变材料可以分为低逡逑温、中温、高温相变材料；根据材料化学组成

相变材料,相变储能,固相,经济性

复合相变材料；根据相变方式，，相变材料可以分为固－气、液－气、固－液、固－固相逡逑变材料。相变材料是相变储能系统中最重要的一部分，相变材料是否合适直接关逡逑系到相变储能系统的工作性能，如图２．２为常见相变储能材料的分类逡逑逦逦邋相变材料逡逑逦逡逑逦ｔ逦逡逑逦ｆ逦逡逑固－固相变逦＾邋．逡逑■逦－逦｜逦ｆ—邋有机相变逡逑固－气相变逦Ｉ逦逦逡逑■邋－邋—邋：￣＾逦ｒ＇———＾逦无机相变逡逑液－气相变逦Ｉ逦逦逡逑逦邋—邋复合相变逡逑固－液相变逦—Ｊ逦逦逡逑ｉ邋Ｉ逦ｉ逡逑逦邋逦逦邋逦逡逑低温相变逦中温相变逦高温相变逡逑－５０－１００°Ｃ逦１００－２００°Ｃ逦＞２００邋°Ｃ逡逑图２．２常见相变储能材料的分类逡逑Ｆｉｇ２．２邋Ｔｈｅ邋ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｃｏｍｍｏｎ邋ｐｈａｓｅ邋ｃｈａｎｇｅ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑本课题主要讨论的是能够在适合回收中低温烟气余热相变材料，相变温度范逡逑围主要集中在５０°Ｃ？１００°Ｃ，且具有经济性好价格便宜易得、相变潜热高、导热逡逑系数高、性质稳定、相变过程过冷现象不明显、熔化蒸气压力低、对封装容器腐逡逑蚀性小等特点。逡逑２．２相变储能换热器的设计逡逑相变换热器是回收烟气余热的重要设备，由于其工作条件较为复杂，其设计逡逑要综合考虑使用中各方面的因素【５８＿６（）】，如接触的工质、运行温度、换热器的使用逡逑寿命、经济性等，主要需要考虑的几个设计因素如下：逡逑Ｉ）最局壁温逡逑余热资源的温度范围很广
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB34

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