两相热虹吸回路耦合相变储热的研究
发布时间：2021-12-31 16:46
储热可以解决热量在供给侧和需求侧时空不匹配问题,具有很大的研究和应用前景。而相变储热作为储热技术的一种,储热密度高,温度变化小,有着明显的优势;但是相变材料导热系数普遍较低,限制了相变储热技术的大规模应用,需要寻找合适的强化措施。而自然循环两相热虹吸回路作为一种高效的传热器件,无需毛细芯,结构简单,且不依靠外界泵功输入,可以实现对相变储热的强化。本文的研究是围绕自然循环两相热虹吸回路及其与相变储热的耦合系统开展的。首先,本文开展了自然循环两相热虹吸回路的实验研究,搭建了相关实验台,分析了变工况条件下,充注量、冷源温度、加热功率和冷热端高度差对自然循环两相热虹吸回路换热性能的影响,并同时涉及单相态,两相态以及超临界态。结果表明,随着加热功率的增加,高度差的降低和冷源温度的增加,系统热阻增加,换热性能变差。选取合适的充注量对换热性能影响很大,低充注量易导致过热现象,大充注量易导致过冷现象,过冷和过热现象均会恶化自然循环两相热虹吸回路的换热性能。然后,本文开展了自然循环两相热虹吸回路的模拟研究,基于质量、动量和能量守恒方程建立了一维数学模型,可以模拟单相态,两相态以及超临界态下的工作性能。模...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
太阳能热电站中的储热系统[8]
两相热虹吸回路耦合相变储热的研究4相变储热，亦称潜热储热，是指利用相变材料（PCM,PhaseChangeMaterial）发生相变时吸收或释放的热量来进行热量储存和释放的技术。区别于显热储热，潜热储热可以在近乎恒定的温度下进行（图1.3），其优点是有易于实现对温度的控制，储热密度高。但是相变材料存在诸多问题，如导热系数普遍较低，过冷，相分离等[29]。因此寻找有效的强化相变储热的措施是大规模推广相变储热技术的关键。下面将列举几种常用的强化相变储热的方法。图1.3PCM的相变特性[30]Figure1.3PhasechangecharacteristicofPCM[30]1.2.1.1相变储热强化措施(1)增加换热面积目前增加换热面积的方法主要是加装翅片，而根据相关研究，翅片需要安装在低换热系数侧来对换热性能进行更好的强化[23]。因此在相变储热系统中，翅片主要在相变材料侧，而非换热流体侧。Almsater等人[31]通过数值模拟研究了翅片和热管相耦合的装置对相变储热的影响。模拟发现，在储热过程开始3小时之后，相比于无翅片的热管，有翅片的热管使得储热量提高了106%；而相比于无翅片无热管的装置，有翅片的热管使得储热量提高了3倍。在释热开始3小时之后，相比于无翅片的热管，有翅片的热管使得释热量提高了76%；而相比于无翅片无热管的装置，有翅片的热管使得释热量提高了4倍。结果表明，翅片和热管皆为强化相变储热的有效措施。Shatikian等人[32]模拟了翅片厚度对储热过程中相变材料熔化速率的影响。结果表明，薄翅片在翅片长度上有着明显的温度梯度，而厚翅片在翅片方向上有着相近的温度。虽然较小的温度梯度可以保证良好的传热性能，但是厚翅片占据了更多的容积，降低了储热容量。因此，选取合适的翅
两相热虹吸回路耦合相变储热的研究6Farid和Kansawa[39,40]通过实验和模拟研究了串联不同熔点的石蜡对储热系统的影响。结果表明，相比于采用单一石蜡作为相变材料，多个石蜡的串联使得系统的储释热时间降低了10-15%，且3种不同熔点的材料均一同开始发生相变，传热分布均匀，提高了系统的储释热性能。(a)长方体容器(b)圆柱形容器(c)圆柱壳式容器[34]图1.4不同容器储热性能比较(a)Cuboidcontainer(b)Cylindercontainer(c)Cylinder-shellcontainer[34]Figure1.4Comparisonofheatstorageperformanceofdifferentcontainers(5)采用封装技术封装技术是指将PCM通过某种材料或技术包覆起来与外界分隔。封装可以避免换热流体或环境对PCM的影响，提高了材料的热稳定性和机械稳定性，并且可以强化传热。封装形式主要有两种，即微观封装和宏观封装。微观封装的封装直径通常为1-1000μm[29]。Yu等人[41]分析了利用CaCO3封装正十八烷材料的热力学性能，其封装直径为5μm。实验结果表明封装使得正十八烷的导热系数提高了8倍多，并且材料的热稳定和结构稳定性均有明显的增强。宏观封装较为常见，封装体积一般在mL到L的量级[30]。Mehling等人[42]研究了将石蜡-石墨复合物封装在尺寸为10cm*30cm的黄铜容器中的相变单元，
【参考文献】：
期刊论文
[1]分离式CO2热管传热性能分析[J]. 佟振,李震,赵勇,刘晓华. 制冷学报. 2016(05)
[2]纳米二氧化钛-赤藻糖醇储能体系实验研究[J]. 章学来,丁锦宏,罗孝学,徐蔚雯. 制冷学报. 2016(01)
[3]京津冀地区城市空气颗粒物中多环芳烃的污染特征及来源[J]. 王超,张霖琳,刀谞,吕怡兵,滕恩江,李国刚. 中国环境科学. 2015(01)
[4]两相热虹吸循环蒸发侧传热模型比较[J]. 张朋磊,王宝龙,韩林俊,石文星,李先庭. 化工学报. 2013(08)
[5]两相热虹吸循环动量模型评价[J]. 张朋磊,石文星,韩林俊,王宝龙,李先庭. 制冷学报. 2013(02)
[6]压缩空气储能的多级填充床蓄热实验研究[J]. 刘佳,杨亮,盛勇,岳雷,王艺斐,王亮,陈海生,谭春青. 科学技术与工程. 2013(06)
[7]纳米氧化铝与赤藻糖醇复合相变材料的实验研究[J]. 王为,章学来,韩中,杨阳. 化学工程. 2012(10)
[8]压缩空气储能技术研究进展[J]. 张新敬,陈海生,刘金超,李文,谭春青. 储能科学与技术. 2012(01)
[9]压缩空气储能技术的特点与发展趋势[J]. 陈海生. 高科技与产业化. 2011(06)
[10]我国工业余热回收利用技术综述[J]. 连红奎,李艳,束光阳子,顾春伟. 节能技术. 2011(02)
博士论文
[1]串联式多相变储热实验与数值模拟研究[D]. 王艺斐.中国科学院研究生院(工程热物理研究所) 2016
[2]太阳能热泵潜热蓄热供暖系统性能研究[D]. 韩宗伟.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3560616
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
太阳能热电站中的储热系统[8]
两相热虹吸回路耦合相变储热的研究4相变储热，亦称潜热储热，是指利用相变材料（PCM,PhaseChangeMaterial）发生相变时吸收或释放的热量来进行热量储存和释放的技术。区别于显热储热，潜热储热可以在近乎恒定的温度下进行（图1.3），其优点是有易于实现对温度的控制，储热密度高。但是相变材料存在诸多问题，如导热系数普遍较低，过冷，相分离等[29]。因此寻找有效的强化相变储热的措施是大规模推广相变储热技术的关键。下面将列举几种常用的强化相变储热的方法。图1.3PCM的相变特性[30]Figure1.3PhasechangecharacteristicofPCM[30]1.2.1.1相变储热强化措施(1)增加换热面积目前增加换热面积的方法主要是加装翅片，而根据相关研究，翅片需要安装在低换热系数侧来对换热性能进行更好的强化[23]。因此在相变储热系统中，翅片主要在相变材料侧，而非换热流体侧。Almsater等人[31]通过数值模拟研究了翅片和热管相耦合的装置对相变储热的影响。模拟发现，在储热过程开始3小时之后，相比于无翅片的热管，有翅片的热管使得储热量提高了106%；而相比于无翅片无热管的装置，有翅片的热管使得储热量提高了3倍。在释热开始3小时之后，相比于无翅片的热管，有翅片的热管使得释热量提高了76%；而相比于无翅片无热管的装置，有翅片的热管使得释热量提高了4倍。结果表明，翅片和热管皆为强化相变储热的有效措施。Shatikian等人[32]模拟了翅片厚度对储热过程中相变材料熔化速率的影响。结果表明，薄翅片在翅片长度上有着明显的温度梯度，而厚翅片在翅片方向上有着相近的温度。虽然较小的温度梯度可以保证良好的传热性能，但是厚翅片占据了更多的容积，降低了储热容量。因此，选取合适的翅
两相热虹吸回路耦合相变储热的研究6Farid和Kansawa[39,40]通过实验和模拟研究了串联不同熔点的石蜡对储热系统的影响。结果表明，相比于采用单一石蜡作为相变材料，多个石蜡的串联使得系统的储释热时间降低了10-15%，且3种不同熔点的材料均一同开始发生相变，传热分布均匀，提高了系统的储释热性能。(a)长方体容器(b)圆柱形容器(c)圆柱壳式容器[34]图1.4不同容器储热性能比较(a)Cuboidcontainer(b)Cylindercontainer(c)Cylinder-shellcontainer[34]Figure1.4Comparisonofheatstorageperformanceofdifferentcontainers(5)采用封装技术封装技术是指将PCM通过某种材料或技术包覆起来与外界分隔。封装可以避免换热流体或环境对PCM的影响，提高了材料的热稳定性和机械稳定性，并且可以强化传热。封装形式主要有两种，即微观封装和宏观封装。微观封装的封装直径通常为1-1000μm[29]。Yu等人[41]分析了利用CaCO3封装正十八烷材料的热力学性能，其封装直径为5μm。实验结果表明封装使得正十八烷的导热系数提高了8倍多，并且材料的热稳定和结构稳定性均有明显的增强。宏观封装较为常见，封装体积一般在mL到L的量级[30]。Mehling等人[42]研究了将石蜡-石墨复合物封装在尺寸为10cm*30cm的黄铜容器中的相变单元，
【参考文献】：
期刊论文
[1]分离式CO2热管传热性能分析[J]. 佟振,李震,赵勇,刘晓华. 制冷学报. 2016(05)
[2]纳米二氧化钛-赤藻糖醇储能体系实验研究[J]. 章学来,丁锦宏,罗孝学,徐蔚雯. 制冷学报. 2016(01)
[3]京津冀地区城市空气颗粒物中多环芳烃的污染特征及来源[J]. 王超,张霖琳,刀谞,吕怡兵,滕恩江,李国刚. 中国环境科学. 2015(01)
[4]两相热虹吸循环蒸发侧传热模型比较[J]. 张朋磊,王宝龙,韩林俊,石文星,李先庭. 化工学报. 2013(08)
[5]两相热虹吸循环动量模型评价[J]. 张朋磊,石文星,韩林俊,王宝龙,李先庭. 制冷学报. 2013(02)
[6]压缩空气储能的多级填充床蓄热实验研究[J]. 刘佳,杨亮,盛勇,岳雷,王艺斐,王亮,陈海生,谭春青. 科学技术与工程. 2013(06)
[7]纳米氧化铝与赤藻糖醇复合相变材料的实验研究[J]. 王为,章学来,韩中,杨阳. 化学工程. 2012(10)
[8]压缩空气储能技术研究进展[J]. 张新敬,陈海生,刘金超,李文,谭春青. 储能科学与技术. 2012(01)
[9]压缩空气储能技术的特点与发展趋势[J]. 陈海生. 高科技与产业化. 2011(06)
[10]我国工业余热回收利用技术综述[J]. 连红奎,李艳,束光阳子,顾春伟. 节能技术. 2011(02)
博士论文
[1]串联式多相变储热实验与数值模拟研究[D]. 王艺斐.中国科学院研究生院(工程热物理研究所) 2016
[2]太阳能热泵潜热蓄热供暖系统性能研究[D]. 韩宗伟.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3560616
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dongligc/3560616.html
