潜热蓄热相变过程换热强化研究

发布时间：2017-09-30 21:08

  本文关键词：潜热蓄热相变过程换热强化研究

  更多相关文章： 相变蓄热 管壳式结构 泡沫金属 肋片 线性变化孔隙率

【摘要】：蓄热技术具有缓和峰谷差异,稳定能量输出的作用,因此在太阳能光热利用、间歇性工业余热利用、节能建筑平衡昼夜温差和跨季节供热、制冷以及一切具有间歇性、非稳定性特性的热源利用领域不可或缺。利用材料相变潜热对热能进行存储和释放,热量蓄存密度大,材料来源丰富,覆盖温度范围广且价格相对低廉,因此潜热蓄热是一种极具应用潜力的蓄热方式,但潜热蓄热方式并非完美,当前可使用的相变材料导热系数一般较低,限制了潜热蓄热的大规模应用。本文以此为研究背景,采用泡沫金属类多孔介质及肋片对相变材料的导热性能进行强化。泡沫金属的孔隙率高、孔隙联通率高,蓄、放热过程不仅发生孔隙结构与相变材料间的导热和各材料自身的导热,同时液相相变材料在联通的孔隙内会发生自然对流换热,因此相变材料在该类多孔介质中发生相变涉及多尺度、多相、多场驱动的耦合。该类问题的流动和传热过程较为复杂,需要进行详细的实验、理论分析和应用探讨才能使泡沫金属这种强化手段在潜热蓄热领域得到有效地推广和应用。设计和搭建了复合相变材料真空制备实验台及潜热蓄、放热实验台。采用真空注入法,制备了填充率达96.7%的泡沫铜-石蜡相变复合材料。以管壳式相变蓄热设备为研究目标,对纯石蜡材料、泡沫铜-石蜡复合材料,肋片强化的复合材料三种测试样本在不同载热流体温度和载热流体流速下进行了性能测试,详细记录相变材料相变过程的相界面位置和演变过程。结果表明：纯石蜡样本的固-液界面为漏斗形,由于自然对流的作用,熔化界面由上至下发展；肋片强化的复合材料样本由于底部肋片的换热强化作用,其固-液界面形状和发展情况与纯石蜡样本相反；泡沫金属-石蜡复合材料样本的固-液界面形状为锥形台,其移动演变过程是由内向外进行；泡沫金属可以有效的缩短熔化时间,相同运行条件下,各测点达到完全熔化的时间均少于纯石蜡条件的1/3；提升载热流体的流速和温度均能加快相变材料的熔化速度,但作用效果不同,载热流体温度对熔化速度的影响更为显著。对有效导热系数、渗透率、惯性阻力系数和孔隙对流换热系数关联式进行总结与评述,对比有效导热系数、渗透率、惯性阻力系数和孔隙对流换热系数计算关联式,建立相对准确的泡沫金属强化相变材料潜热蓄、放热过程的流动和局部非热平衡、热平衡非稳态数值模拟模型,结果显示：采用所选关联式进行设置和计算的非热平衡模型和热平衡模型与实验结果均能较好吻合,比较而言,非热平衡模型具有更高的计算准确性,而热平衡模型的计算量和计算时间成本较低。在建立准确的蓄、放热过程数值模型前提下,对肋片与泡沫金属协同强化高温潜热设备蓄、放热过程进行模拟研究,建立了对称简化的三维物理和数学模型,对蓄、放热过程固-液界面位置及内部流场进行分析,探讨了泡沫金属、肋片结构参数和设备运行参数对蓄放热性能的影响,并在应用层面上对“瘦长型”与“矮胖型”蓄热单元进行了技术经济性分析。结果表明：肋片和泡沫金属复合强化结构可有效提高熔化和凝固速度,同时肋片上下表面不均匀的热量分配,可拉近肋板两侧相变材料的熔化进程,形成类似纯导热作用下固-液界面形状；改变孔隙率,蓄、放热温度和肋间距对相变过程的影响显著,改变孔密度和肋片厚度的强化作用微弱。泡沫金属中的相变过程涉及液相相变材料的自然对流,材料内部速度梯度场和温度场的耦合协同能够在一定程度上起到换热强化作用,因此在不改变强化金属用量的前提下,探讨具有强化作用的孔隙结构参数具有重要应用价值。在前述实验和数值模拟基础上,权衡泡沫金属结构参数对相变蓄热过程的影响大小,建立非均匀孔隙率泡沫金属强化潜热蓄、放热模型并进行数值模拟分析,与均匀孔隙率结构进行对比,理论和量化分析非均匀孔隙结构的强化作用。结果显示：非均匀孔隙结构在蓄热初期影响作用较小,在液相体积分数较大时强化作用明显,验证了通过改善自然对流速度场和温度场的协同作用进而强化潜热蓄热性能的推理；比较而言,自下至上逐渐增加孔隙率的孔隙结构具有更佳的速度场和温度梯度的协同效应,该种孔隙结构较之均匀孔隙结构最大可缩短完全熔化时间达13.8%。
【关键词】：相变蓄热 管壳式结构 泡沫金属 肋片 线性变化孔隙率
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34;TK124
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-18
• 第1章 绪论18-34
• 1.1 课题背景及意义18-19
• 1.2 国内外研究现状19-32
• 1.2.1 蓄热技术分类19-21
• 1.2.2 潜热蓄热材料21-23
• 1.2.3 潜热蓄热换热强化技术及方法23-27
• 1.2.4 泡沫金属强化潜热蓄热技术的研究进展27-32
• 1.3 论文主要研究内容32-34
• 第2章 泡沫金属强化潜热蓄热过程实验研究34-55
• 2.1 引言34
• 2.2 石蜡热物性测量及泡沫金属-石蜡复合材料制备34-37
• 2.2.1 石蜡热物性测量34-35
• 2.2.2 泡沫金属-石蜡复合材料制备35-37
• 2.3 实验装置及实验方法37-40
• 2.3.1 实验装置及设备37-40
• 2.3.2 实验方法40
• 2.4 实验结果及讨论40-54
• 2.4.1 相变界面的演化进程40-43
• 2.4.2 相变材料内温度分布43-46
• 2.4.3 载热流体流速对相变过程的影响46-49
• 2.4.4 载热流体温度对相变过程的影响49-51
• 2.4.5 蓄热过程换热量的变化51-54
• 2.5 本章小结54-55
• 第3章 泡沫金属强化相变材料蓄热过程数值模拟方法55-71
• 3.1 引言55
• 3.2 实验模型简化及数学方程55-57
• 3.3 参数分析57-67
• 3.3.1 有效导热系数57-61
• 3.3.2 热弥散导热系数61
• 3.3.3 渗透率及惯性阻力系数61-66
• 3.3.4 孔隙对流换热系数66-67
• 3.4 边界条件67
• 3.5 数值模拟结果及验证67-70
• 3.6 本章小结70-71
• 第4章 肋片与泡沫金属协同作用强化潜热蓄热过程71-89
• 4.1 引言71
• 4.2 物理数学模型71-74
• 4.2.1 物理模型71-72
• 4.2.2 数学模型72-74
• 4.3 结果及讨论74-87
• 4.3.1 相界面位置及自然对流影响分析75-78
• 4.3.2 泡沫金属孔密度和孔隙率对蓄热过程的影响78-80
• 4.3.3 肋间距和肋片厚度对蓄热过程的影响80-83
• 4.3.4 瑞利数对蓄热过程的影响83-84
• 4.3.5 “矮胖型”单元与“瘦长型”单元的对比分析84-87
• 4.4 本章小结87-89
• 第5章 非均匀孔隙结构强化潜热蓄热过程89-108
• 5.1 引言89
• 5.2 多孔介质非均匀强化换热过程的作用机制分析89-90
• 5.3 物理和数学模型90-93
• 5.4 结果及讨论93-106
• 5.4.1 相界面发展及线性变化孔隙率对相界面的影响分析93-98
• 5.4.2 线性变化孔隙率对速度场和温度梯度场的协同性分析98-100
• 5.4.3 平均孔隙率的影响ε100-102
• 5.4.4 孔密度的影响102-104
• 5.4.5 变化孔隙结构对凝固过程的影响104-106
• 5.5 本章小结106-108
• 第6章 结论与展望108-111
• 6.1 主要结论108-109
• 6.2 工作展望109-111
• 参考文献111-121
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果121-122
• 攻读博士学位期间参加的科研工作122-123
• 致谢123-124
• 作者简介124

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