多孔介质蓄热式碳纤维电暖器模拟与实验研究

摘要

随着我国生活水平的提高，我国居民对冬季供暖的要求日益提高。相比于传统的集中式供暖，电采暖方式因其热启动迅速、热电转化效率高、环保清洁等特点得到了人们广泛的关注。与此同时，近年来各地区出台了分时段电价政策，用以针对电网负荷峰谷相差较大的问题，这为电采暖的广泛应用提供了政策保障。 本文面向电网削峰填谷的政策背景，提出了将碳纤维电暖器与多孔介质蓄热材料相结合的供暖方案，通过实验和数值模拟方法研究了蓄热式电暖器的热特性，以及以蓄热式碳纤维电暖器为热源的房间的温度场和流场特性，论文具体工作如下： 在数值模拟研究方面，以Fluent商业软件为平台，建立了多孔介质蓄热式碳纤维电暖器物理模型和房间物理模型，分析了以蓄热式碳纤维电暖器为热源的房间的温度场、速度场变化规律，研究了不同多孔介质蓄热结构的厚度、孔隙率对于房间采暖效果的影响。结果表明：蓄热采暖过程存在三个典型阶段，加热延迟阶段、升温蓄热阶段、蓄热工作阶段，各个阶段温度变化各不相同；房间温度场整体分布为上暖下冷，温差在3℃以内，房间内气流流速小于0.4m/s；温度极值和流速极值都出现在电暖器上方和散热外墙附近。 在实验研究方面，建立了直热式和蓄热式两种电暖散热器实验装置，并分别进行了加热/散热实验。测量了电加热板表面及其周围，以及电暖器壳体的温度分布；分析了多孔介质蓄热层对电暖器内、外部温度场的影响。结果表明：直热式电暖器的整体温度场表现出上方温度大于下方温度，中间温度大于边缘温度的特点；蓄热式电暖器的加热板温度分布更加均匀，蓄热式电暖器降温速度要明显低于直热式电暖器，且蓄热层的小球直径越小，加热板温度降低速度越慢；蓄热式电暖器的壳体最高温度要低于直热式电暖器，温度分布更加均匀。 为了分析蓄热式电暖器供热房间的热舒适性，本文根据预测平均评价-预期不满意百分率(PMV-PDD)模型，对房间采暖过程热环境进行了合理评价。模型通过计算各方向的PMV值讨论了电采暖房间的热舒适性。结果表明：蓄热式电暖器工作50min后，房间内的环境温度达到理想标准，电蓄热式采暖的有效采暖时间可达2.05小时；电暖器附近，PMV值接近理想值，热舒适性好；距离侧墙和地面越近，PMV值偏离近理想值越大，热舒适性越差。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景意义

1.2 我国冬季供暖的现状

1.3 蓄热式电暖器研究现状

1.3.1 电暖散热器概述

1.3.2 电热膜加热技术

1.3.3 碳纤维电暖加热技术

1.3.4 蓄热技术的研究现状

1.3.5 蓄热式电暖散热器的研究

1.3.6 研究现状总结

1.4 本课题研究内容

2 蓄热式碳纤维电暖器采暖房间的模拟研究

2.1 物理模型

2.2 数学模型

2.2.1 基本方程

2.2.2 湍流模型

2.2.3 辐射模型

2.2.4 多孔介质模型

2.2.5 自然对流中瑞利数

2.3 网格划分

2.4 网格无关性验证

2.5 边界条件

2.6 蓄热式碳纤维电暖器散热过程数值模拟

2.6.1 Fluent介绍

2.6.2 蓄热供暖过程分析

2.6.3 多孔介质蓄热厚度对房间内温度变化的影响

2.6.4 多孔介质孔隙率对房间内温度变化的影响

2.6.5 加热过程房间温度场变化规律

2.6.6 壁面温度场与热辐射场

2.7 本章小结

3 蓄热式电暖器的散热实验研究

3.1 实验装置

3.2 实验步骤

3.2.1 实验准备工作

3.2.2 电暖器散热实验的基本步骤

3.3 实验结果与分析

3.3.1 直热式电暖器的温度特性分析

3.3.2 蓄热式电暖器的温度特性分析

3.4 本章小结

4 蓄热式电采暖的热舒适性分析

4.1 预测平均评价-预期不满意百分率(PMV-PDD)模型舒适性分析

4.2 PMV—PDD方程介绍

4.3 参数取值和计算依据

1、人体新陈代谢速率M

2、空气中水蒸气分压力Pa

3、人体穿衣表面与实际表面积之比fcl

5、衣服外表面温度

6、人体与外界对流换热系数

4.4 采暖过程PMV-PDD指数变化

4.5 室内x,y,z方向的PMV-PDD分析

（1）x 方向PMV-PDD 分析

（2）y 方向PMV-PDD 分析

（3）z 方向PMV-PDD 分析

4.6 本章小结

结论

工作展望

参考文献

致谢

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