分形树状换热器中固液相变传热特性研究

发布时间：2020-04-17 20:22

【摘要】：固液相变是实现潜热储存和释放的重要途径,潜热蓄热具有蓄热密度高、相变温度范围广、相变材料丰富且价格低廉等优点,已广泛应用于太阳能利用、电力系统“削峰填谷”以及余热回收等领域。由于固液相变材料存在导热系数低的问题,因此开展固液相变传热强化研究对于研发相变储能系统及能量高效利用具有重要的意义。目前强化固液相变换热技术的方法主要是从装置的结构设计和相变材料选型这两个方面进行考虑。其中,相变材料选型优化主要依赖于材料行业发展,目前可选用的芯体材料还比较少;结构设计优化目前主要采用肋片方式。但常规的肋片形状单一,缺少空间结构的优化配置,对系统内部的温度均匀性的改善效果不明显。受分形树状结构在电子芯片散热、反应器结构优化等方面成功应用的思想启迪,本文将分形树状结构引入到固液相变储能领域中,提出一种新型的固液相变换热器,改善相变材料(PCM)储能过程的传热性能。目前,针对该型相变换热器的强化换热机理尚不清晰,树状结构布置形式也有待优化设计。为此,本文建立了分形树结构储能换热器的固液相变传热过程的理论模型,数值研究了PCM相变传热行为及分形结构的强化传热特性。并且,本文还开展了分形树状换热器的传热特性的实验研究。概括起来,本文的研究内容及主要结论如下:(1)开展了分形树状换热器固液相变传热过程的数值研究。建立了分形树状换热器固液相变传热过程的二维理论模型并进行数值模拟,研究了分形树状换热器的固液相变动态传热性能,给出了凝固过程的温度变化特性、相变界面移动特性以及潜热显热释放特性,分析了分形树结构的几何参数、材料对相变传热性能的影响。研究结果表明:(a)分形树骨架的温度变化快于相变区域。分形树骨架内的等温线相互平行,相变区域内的等温线近似沿分形树骨架表面分布,且越靠近分形树骨架,等温线越密集,温差越大,而骨架分支中间的等温线呈椭圆环状分布;(b)相变前期凝固范围大致沿分形树骨架轮廓分布并沿着骨架不断向外延伸,相变中期相变区域呈现均匀分布的“水滴”形状和“三角状”,大“水滴”出现在0级分叉区域,小“水滴”出现在1级分叉区域,“三角状”出现在圆盘边缘,相变末期小“水滴”先消失,随后“大水滴”消失,而“三角状”最后消失;(c)凝固过程放出的热量中潜热值占的比重很大,且潜热释放速度远大于显热释放速度;(d)对分形树状换热器固液相变传热性能影响最大的参数是分形树级数,其次是总支数,然后是长度分形维数,宽度分形维数对传热性能的影响较小,且这些参数对相变时间的影响大于对放热效率的影响。当分形树级数k=2,总支数F=6,长度分形维数D=-1.8时,分形树状换热器的传热性能相对最优。(2)设计加工了分形树状换热器,搭建了固液相变实验平台,研究了相变过程中各个方向的传热特性以及运行工况对传热性能的影响。研究结果表明:(a)熔化过程中,对流作用起主导作用,而在凝固过程中,起主导作用的主要是热传导。经历相同时间后,熔化过程蓄积的热量大于凝固过程释放的热量,说明对流过程加速了热量的传递;(b)相变过程中的温度曲线均经历了快速升(降)温期、相变平缓期、再次快速升(降)温与温度平缓期;轴向方向凝固过程中各层的温度曲线基本重合;径向方向各温度曲线走势大致一致,且初期的快速升温期和末期的温度平缓期温度曲线基本重叠;圆周方向相变材料区域的温度变化滞后于金属骨架的温度变化,相变区域的温度均匀性较好,且凝固过程的温度均匀速度快于熔化过程;(c)熔化过程中多处测点的温度曲线出现了“二次熔化”现象,即温度曲线经历了2次相变平缓期过程;(d)随着初始温差和流量的分别增大,系统内相变材料完全相变所需的时间均呈非线性地减少。本文开展了分形树状换热器固液相变传热的数值模拟和实验研究,揭示了分形树状换热器中的固液相变传热机理,研究工作为相变储能强化换热技术的发展提供理论支撑。
【图文】：

有机相变材料,固液相变,石蜡,脂肪酸

图 1-1 固液相变材料分类变材料包括石蜡、脂肪酸以及烷烃这三类[20]。有机相变材料的有过冷现象，，不会产生相分离，在工业上得到广泛应用。Hale[21材料的相关特性，这可以为热能储存系统中相变材料的选择[22-24]综述了有机相变材料的在生产实际中的具体应用；工业石度范围宽和蓄热密度适中[25]等特点，梁辰[26]、邹得球[27]等分别拟的方法对石蜡类相变材料在建筑储能、工业余热方面的应用进料主要来自植物和动物，有利于环境保护，相变温度范围为 30和热力学性质较为稳定[28-30]，因此在低中温工业领域应用较广]研究了豆蔻酸的热性能，发现这种脂肪酸在低温下稳定性更好，它表现出的性能更好。变材料主要包括无机盐水合物和金属合金这两类。硝酸盐具有稳相变温度范围和适中的熔化潜热值，国内外一些学者[32,33]根据硝实验研究，着重测量和分析了新型熔盐的粘度特性。尽管金属合密度，但其导热和导电性能良好，并且其在相变期间的体积变化

分形结构,分形树

本章首先详细介绍了分形树状换热器的二维平面结构设计，以此建立模型进行数值计算。以凝固过程为例，研究分析了该固液换热器内相变材料的温度和液相率随时间的变化规律，着重分析了分形树结构的各几何参数（包括级数 k、总支数 F、长度分形维数 D 和宽度分形维数△）对固液相变传热性能的影响，从而得出适用于固液相变换热器的最佳分形树状结构。2.1 分形树状换热器结构设计自然界存在许多分形树状结构，如树木从主干到枝干的逐级分叉结构、雪花的逐级分形结构等，如图 2-1 所示，另外人体的血管、气管、神经网络等也是典型的分形结构。自然界的分形结构是经过长时间的演化而成，根据达尔文进化论，这是经过自然选择的结果，存留下来的结构应该是最优的或者接近最优的。许多学者对这种现象进行了深入研究并用数学语言来阐述这种自然现象，使之能指导工程实践的设计。目前关于分形树状结构的应用研究主要在电子产品的散热设计、燃料电池的热管理等方面，主要关注的是分形树状通道中的流体流动特性，关于分形树状结构本身的导热传热特性研究相对较少，应用前景仍在不断探索和发展中。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124

【参考文献】