穿孔锯齿肋片相变蓄热器蓄放热性能的模拟研究

摘要

随着全球工业的迅猛发展，大量能源的开采与消耗，带来的不仅仅是能源极度短缺问题，同时也带来了环境严重污染的全世界难题。因此，寻求新的清洁能源、研发新的高效蓄热技术、提高能源利用效率成为各国发展的重中之重。我国太阳能开发潜力巨大，大力发展太阳能热发电技术，是缓解传统热力发电带来的资源匮乏和环境污染等问题的重要手段，但是能量存储的问题制约了太阳能热发电的发展。蓄热技术可以缓解由于昼夜交替等因素造成的热量供给和需求在时间与空间上的不平衡。其中，相变蓄热技术具有相变温度趋于恒定、蓄能密度大、相变过程易控制等诸多优点，成为国内外研究的重点。本文在相变蓄热理论的基础上，研究一种新型穿孔锯齿肋片在高温肋板式太阳能相变蓄热器中的蓄放热特性，以Solar Salt（40%KNO3-60%NaNO3）作为相变材料，以高温导热油（T66）作为载热体，采用计算流体动力学（CFD）模拟计算方法，研究载热体入口参数、肋片几何参数以及由重力引起的自然对流对相变蓄热器蓄放热性能的影响。
　　本研究主要内容包括：⑴介绍本课题的背景与意义，总结相变蓄热技术国内外研究现状和发展趋势。介绍相变蓄热的原理和传热模型，对比分析传热问题的数值求解方法，阐述高温相变材料的筛选原则。⑵建立肋板式高温相变蓄热器三维模型，分析载热体入口参数对蓄热器蓄放热的影响。模拟结果表明：入口温度与相变材料温差越大，入口速度越大，蓄热器蓄放热速度越快。蓄热器入口温度高到一定程度时，蓄热器蓄热性能也将达到极限，一味的提高载热体温度，也将造成热量的浪费。⑶对比分析穿孔锯齿肋片不同穿孔形状、孔径大小和肋板厚度对蓄放热速度的影响，模拟结果表明：相比于方孔和三角孔锯齿肋片，圆孔锯齿肋片蓄热器蓄放热速度最快；孔径大小对蓄热器蓄放热速度影响较大，孔径越小，蓄放热速度越快；肋板厚度对蓄热器蓄放热速度影响较小，增加肋板厚度，减少了相变材料的充装量，减少了总的蓄热量。⑷运用数值模拟方法，通过改变重力方向，研究自然对流对蓄热器蓄放热性能的影响，模拟结果表明：重力方向为X（竖放），由于液相相变材料产生的自然对流空间大，蓄放热速度最快。自然对流的存在对相变材料熔化和凝固都起促进作用，但是熔化过程中自然对流的影响要比凝固过程中的大。

目录

声明

符号说明

第一章 绪论

1.1引言

1.2课题研究背景及意义

1.3蓄热技术的典型应用

1.4蓄热方式

1.5国内外蓄热技术研究现状

1.6本文主要研究内容

第二章 相变蓄热理论及数值求解方法

2. 1引言

2.2高温相变蓄热材料的选择

2.3相变蓄热的原理

2.4相变换热的数学模型

2.5相变换热问题的数值求解方法

2.6数值求解的步骤

2.7 相变问题的数值模拟

2.8本章小节

第三章 穿孔锯齿肋片在肋板式高温相变蓄热器中蓄放热特性的数值模拟

3.1引言

3.2肋板式高温相变蓄热器的结构

3.3物理模型

3.4数学模型

3.5网格划分和模拟参数设置

3.6数值模拟结果与分析

3.7本章小节

第四章 穿孔锯齿肋片几何尺寸和自然对流对高温肋板式相变蓄热器蓄放热特性的影响

4.1 引言

4.2 穿孔形状对高温相变蓄热器的蓄放热影响

4.3 孔径大小对高温相变蓄热器的蓄放热影响

4.4 肋板厚度对高温相变蓄热器的蓄放热影响

4.5 自然对流对高温相变蓄热器的蓄放热影响

4.6 本章小节

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢