串联式多相变储热实验与数值模拟研究

发布时间：2017-07-31 06:17

  本文关键词：串联式多相变储热实验与数值模拟研究

  更多相关文章： 相变储热 赤藻糖醇 热物性 有效导热系数模型 自然对流 实验研究 模拟研究

【摘要】：由于相变材料(PCM)在较小温度范围内发生相变的过程中可以吸收或者释放出大量的相变潜热,从而缩小储热装置的体积,使得相变储能技术具有很高的实用价值。相变储能可以被广泛应用在建筑供暖、余热利用、压缩空气储能及太阳能热发电系统中。近年来,对相变材料热物性的测量、相变传热过程以及相变储能装置的研究成为当前的研究热点。本文首先根据相变材料选择原则在合适温度范围内,遴选出赤藻糖醇为储热材料。对赤藻糖醇的相变温度、熔融焓、导热系数、粘度和分解温度等热物性参数进行了全面的测量。研究发现：赤藻糖醇熔化温度约为120.39℃,相变潜热为319.5kJ/kg；赤藻糖醇有较强的过冷特性,本文测量中其过冷度在93.64℃-113.19℃之间；在180℃以下基本保持热稳定,在约250℃下完全分解；赤藻糖醇固态导热系数随着温度升高而线性降低,液态赤藻糖醇导热系数随着温度升高而线性升高；赤藻糖醇粘度随着温度升高而降低。然后,本文建立了以空气为传热流体(HTF),以赤藻糖醇为储热材料的相变储热实验台,进行了不同工况下的储热/释热实验,研究了赤藻糖醇在竖直套管式相变单元内熔化/凝固的导热和自然对流耦合传热机理,并对运行参数进口温度、压力和质量流量对系统传热性能的影响进行了分析。研究结果表明：(1)熔化过程中,液相赤藻糖醇首先占据储热单元上部,随后从上而下逐步推进,传热方式在初始阶段由导热主导,随后主要由自然对流主导。(2)凝固过程中,赤藻糖醇存在明显过冷现象,内部的传热起始由自然对流主导,随后由导热主导。(3)提高空气进口温度和流量可以提高储热过程传热率,缩短储热时间。进口压力的变化对储热过程传热率及传热系数等影响不大。(4)提高空气的质量流量可以增强释热过程的传热,由于赤藻糖醇内存在冷头效应,质量流量的变化对过冷度影响不大。最后,基于焓法模型来模拟相变过程,以有效导热系数形式考虑熔化过程中液态PCM内的自然对流,建立了套管式相变储热的数值模拟方法。由于前人的模型不能实现液态PCM从上往下推进的过程,因此本文提出了有效导热系数的新模型。经过计算得到合适的系数,并与本文实验结果对比,得到与实验比较吻合的模拟结果。在此基础上开展了以赤藻糖醇、阿拉伯糖醇和木糖醇为储热材料的3种PCM串联组合储热单元的数值模拟研究,对3PCM单元内部子单元的传热过程进行了分析,并采用能量和(?)分析的方法对进口温度和流量对系统性能的影响进行了研究。结果表明：(1)串联3PCM单元比采用赤藻糖醇为储热材料的1PCM单元在储热过程有更高的传热率；(2)对3PCM串联单元中的PCM传热均可以分为3个阶段：固态显热主导、潜热主导和液态显热主导阶段；(3)提高流量和储热进口温度可以加快储热和储(?)速度；提高流量和降低进口温度会加速释热和释(?)速度；(4)循环热效率和循环炯效率随着储热时间的减小和释热时间的增大而升高。
【关键词】：相变储热 赤藻糖醇 热物性 有效导热系数模型 自然对流 实验研究 模拟研究
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK11
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 第1章 绪论18-40
• 1.1 引言18-19
• 1.2 热能储存19-21
• 1.2.1 热储热20
• 1.2.2 热化学储热20
• 1.2.3 潜热储热20-21
• 1.3 相变储能系统21-26
• 1.3.1 PCM的研究22-25
• 1.3.2 相变换热器的研究25-26
• 1.4 强化换热措施研究26-38
• 1.4.1 增加换热面积26-30
• 1.4.2 采用多PCM串联形式30-34
• 1.4.3 添加高导热系数材料34-36
• 1.4.4 采用封装形式36-38
• 1.5 本文研究内容和技术路线38-40
• 1.5.1 研究内容38-39
• 1.5.2 技术路线39-40
• 第2章 实验和数值模拟方法40-60
• 2.1 引言40
• 2.2 热物性测试方法40-49
• 2.2.1 DSC测量原理41-43
• 2.2.2 热重分析原理43-44
• 2.2.3 导热系数测量原理44-47
• 2.2.4 粘度测量原理47-49
• 2.3 相变储热实验方法49-55
• 2.3.1 系统主要部件49-51
• 2.3.2 测控系统51-53
• 2.3.3 实验主要流程53
• 2.3.4 数据处理与误差分析53-55
• 2.4 数值模拟方法55-59
• 2.4.1 物理模型56-57
• 2.4.2 控制方程57-59
• 2.5 本章小结59-60
• 第3章 材料热物性测量和分析60-72
• 3.1 引言60-61
• 3.2 DSC测量结果61-63
• 3.3 热重分析测量结果63
• 3.4 导热系数测量结果63-68
• 3.4.1 固态导热系数测量64-65
• 3.4.2 液态导热系数测量65-68
• 3.5 粘度测量结果68-70
• 3.6 本章小结70-72
• 第4章 赤藻糖醇储热特性实验研究72-96
• 4.1 引言72-73
• 4.2 相变储热可视化实验73-78
• 4.2.1 实验系统和装置73-74
• 4.2.2 石蜡可视化实验结果74-76
• 4.2.3 赤藻糖醇可视化实验结果76-78
• 4.2.4 小结78
• 4.3 赤藻糖醇储热实验78-94
• 4.3.1 重复性实验78-79
• 4.3.2 储热过程传热分析79-83
• 4.3.3 储热过程进口温度对传热的影响83-85
• 4.3.4 储热过程质量流量对传热的影响85-87
• 4.3.5 储热过程压力对传热的影响87-89
• 4.3.6 释热过程传热分析89-92
• 4.3.7 释热过程质量流量对传热的影响92-94
• 4.4 本章小结94-96
• 第5章 串联式多相变储热数值模拟96-126
• 5.1 引言96
• 5.2 实验验证96-102
• 5.3 串联式多PCM储热单元模型102-103
• 5.4 串联式3PCM单元储热结果103-113
• 5.4.1 不同时刻云图对比分析104-106
• 5.4.2 传热过程分析106-109
• 5.4.3 进口温度和流量对储热的影响109-111
• 5.4.4 进口温度和流量对储(火用)的影响111-113
• 5.5 串联式3PCM单元释热结果113-122
• 5.5.1 不同时刻云图对比分析114-116
• 5.5.2 传热过程分析116-118
• 5.5.3 进口温度和流量对释热的影响118-120
• 5.5.4 进口温度和流量对释(火用)的影响120-122
• 5.6 热效率和(火用)效率分析122-124
• 5.7 本章小结124-126
• 第6章 结论和展望126-128
• 6.1 主要结论126-127
• 6.2 本文创新点127
• 6.3 研究展望127-128
• 主要符号说明128-130
• 参考文献130-146
• 攻读博士学位期间发表论文及获奖情况146-148
• 致谢148-149
• 作者简介149

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本文编号：597820