太阳能相变蓄热装置蓄热性能实验及模拟研究

【摘要】： 在当前能源供给紧张、需求日益增加的形势下,太阳能作为一种可再生清洁能源具有广泛的应用前景,但是能量储存的问题制约着太阳能的利用。蓄能技术由于可以缓解能量供求双方在时间、强度及地点上的不匹配,在太阳能利用方面有重要应用。其中相变蓄热技术应用最为广泛,具有蓄热密度大,相变过程温度恒定、过程易控制等优点。 国内外对相变蓄热材料和相变过程热分析方面进行了大量的研究,但在相变技术应用研究方面开展较少,尚存在不足。针对以上问题,本文首先从常见的中低温相变材料中进行比较筛选,选取石蜡作为实验用相变材料,并对其融化过程的体积膨胀率、固液态密度、导热系数、相变温度及相变潜热进行了测定。 通过搭建同心管束式相变蓄热性能测试实验台,在恒定的室温条件下进行实验,分析相变过程温度场随时间的变化规律;比较了相同传热流体条件下装置内部不同位置温度随时间的变化;分析了传热流体入口温度变化、传热流体流量变化对蓄热时间的影响、实验分析发现,传热流体入口温度对于蓄热时间的影响要大于流量。 模拟研究方面,本文还将实验的物理模型进行简化,得到了内走传热流体外侧充满石蜡的同心套管单元数学模型。利用计算流体力学软件FLUENT中凝固/融化模型模拟了石蜡融化的相变过程。在考虑液相区自然对流情况下得到了蓄热装置与热媒体耦合问题的温度场、液相体积分数随时间的变化情况,并分析了相变界面的变化规律。本文中的模拟结果与实验结果相对照吻合,具有应用的可行性。论文还在原有的模型基础上进行传热强化的结构优化模拟,比较了加不同结构参数环肋的融化过程所需时间。 依照相似准则理论,将模型实验装置作为蓄热装置进行放大设计,应用于分体式太阳能热水系统,对原有的系统进行了改进。 本文的研究结果,可以给相变蓄热器的设计者提供数据参考,减少重复性劳动。另外,本文探讨的模拟方法可以在蓄热器的强化的设计研究中使用,借鉴模拟结果安排实验环节,从而可以节省大量的人力和物力。 【关键词】：相变蓄热装置 相变材料 石蜡 太阳能热水系统 数值模拟 传热强化
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TB34
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 课题研究背景及意义13-15
• 1.2 国内外对于相变蓄能的研究现状15-19
• 1.2.1 国内外对于相变材料(PCM)的研究进展15-17
• 1.2.2 国内外对于相变蓄热理论及技术的研究进展17-19
• 1.3 本课题研究内容与方法19-20
• 1.3.1 研究内容19-20
• 1.3.2 研究方法20
• 1.4 小结20-21
• 第二章 相变材料的选择比较及石蜡的物理性质21-33
• 2.1 相变材料的选择21-23
• 2.1.1 常见的中低温相变材料21-22
• 2.1.2 相变材料的选择22-23
• 2.2 石蜡的基本性质23
• 2.3 石蜡物性参数的测定23-30
• 2.3.1 石蜡融化过程体积膨胀率的测定24
• 2.3.2 石蜡固态、液态时密度的测定24-25
• 2.3.3 石蜡相变温度及相变潜热的测定25-27
• 2.3.4 石蜡固态、液态时导热系数的测定27-30
• 2.4 本章小结30-33
• 第三章 蓄热性能实验系统及测试方法33-43
• 3.1 实验研究目的33
• 3.2 实验系统33-40
• 3.2.1 蓄热装置34-36
• 3.2.2 水路系统、电加热系统36
• 3.2.3 温度测试系统36-38
• 3.2.4 实验主要仪器38-40
• 3.3 实验测试步骤及调试40-41
• 3.4 本章小结41-43
• 第四章 相变蓄热装置蓄热性能实验分析43-59
• 4.1 引言43
• 4.2 蓄热实验结果及分析43-51
• 4.2.1 蓄热过程中石蜡温度随时间的变化43-48
• 4.2.2 传热流体入口温度对蓄热过程的影响48-50
• 4.2.3 传热流体流量对蓄热过程的影响50-51
• 4.3 无量纲蓄热量曲线分析51-57
• 4.3.1 传热流体蓄热量的计算52-56
• 4.3.2 无量纲蓄热量曲线分析56-57
• 4.4 本章小结57-59
• 第五章 相变蓄热模拟研究及传热强化59-79
• 5.1 模拟研究理论和方法59-64
• 5.1.1 相变传热问题的特点59-60
• 5.1.2 相变传热中的主要数学模型60-61
• 5.1.3 相变传热问题的数值求解方法61-62
• 5.1.4 FLUENT数值模拟相变问题的基本知识62-64
• 5.2 等效相变蓄热单元蓄热过程模拟64-74
• 5.2.1 物理及数学模型的建立64-67
• 5.2.2 边界条件及参数的设置67
• 5.2.3 模拟结果与验证分析67-74
• 5.3 加肋强化传热的模拟74-78
• 5.3.1 强化模拟模型及设置74-75
• 5.3.2 模拟结果分析与结论75-78
• 5.4 本章小结78-79
• 第六章 相变蓄热装置应用设计79-87
• 6.1 引言79
• 6.2 太阳能热水系统及应用设计79-83
• 6.2.1 太阳能热水器79
• 6.2.2 分体式太阳能热水系统79-81
• 6.2.3 相变蓄热装置的放大设计81-83
• 6.3 改进的太阳能热水系统比较计算83-85
• 6.4 本章小结85-87
• 第七章 结论与展望87-89
• 7.1 本课题的研究结论87-88
• 7.2 进一步研究建议88-89
• 参考文献89-93
• 附录93-99
• 附图93-94
• 附表94-99
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文99-101
• 致谢101

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