移动式相变蓄热装置蓄放热特性实验与数值计算研究

摘要

我国工业部门在生产、制造过程中会产生大量的余热、废热资源，如果不加以合理回收利用就会造成能量的巨大浪费，加重能源供求紧张关系;与此同时，在我国北方城镇仍然存在大量建筑面积靠自备采暖效率并不高的小型燃煤锅炉来供暖，这不仅会造成能量利用率低，而且也会加重环境污染，因此寻求合理的方法解决上述两个矛盾迫在眉睫。移动式蓄热技术能将工业余热、废热收集并储存在自身蓄热材料中，经卡车输送到附近热用户处，为热用户提供热水或采暖，从而实现将热量供求双方在时间、地点和强度方面重新匹配，是解决上述热量供求矛盾问题理想方法。移动式相变蓄热装置由于具有蓄热密度大、热负荷稳定、安全可靠等优点成为移动式蓄热技术发展方向，但移动式相变蓄热装置由于自身相变蓄热材料导热系数低的原因蓄放热效率往往不高，为此本文利用实验与数值模拟的方法从相变蓄热装置蓄放热性能、高效相变蓄热材料的选取以及蓄热单元蓄放热结构优化等方面进行研究，力争为高效移动式相变蓄热装置的设计奠定基础。
　　工业部门产生的余热、废热资源温度和余热量不同时刻可能会发生变化，因此探究工业余热资源变工况时热源温度与余热量对移动式相变蓄热装置回收利用余热资源过程中蓄放热过程的影响具有重要意义。本文采用Rubitherm＃60石蜡类相变蓄热材料为蓄热介质，搭建了通过改变循环水温度、流量来研究余热、废热资源热源温度与余热量变工况时对移动式相变蓄热装置蓄放热性能影响的小型实验台。研究发现相变蓄热材料蓄热熔化过程与放热凝固过程都存在三个阶段，即固态显热、潜热以及液态显热蓄热阶段，其中显热蓄放热阶段温度变化大、上升速率快，换热方式以导热为主;潜热蓄放热阶段温度变化较小，换热方式对流为主、导热为辅。潜热蓄放热阶段会存在自然对流现象，它会促进蓄热材料的蓄热熔化过程及阻碍放热凝固过程，因此值得重点研究。此外，利用无量纲数表征蓄热装置蓄放热进行程度，蓄放热量及其变化量的大小可以通过柱状图得到。
　　其次，本文以实验采用的增设横肋的开孔翅片为研究对象，利用ICEM CFD软件对蓄热单元进行几何建模、结构化六面体网格划分，并完成了网格独立性与可靠性验证。研究了综合性能最佳的相变蓄热材料选取，针对回收利用工业300℃的中低温余热、废热资源从而为热用户供应85℃的热水情况，对选取的10种常见的相变蓄热材料进行了数值计算，对比分析了该10种蓄热材料蓄放热量、蓄放热速率以及速度矢量图。综合考虑，＃5(56％LiNO3-44％NaNO3)相变蓄热材料由于具有较大的蓄放热量和较高的蓄放热速率，可以认为本文特定工况下研究的所有蓄热材料中性能最优的相变蓄热材料。
　　最后，通过数值模拟方法研究了蓄热单元换热结构强化换热优化方案，包括翅片开孔尺寸、横肋截面尺寸、翅片间距以及翅片厚度。研究表明，翅片开孔和横肋强化换热性能的原理不同，前者为打断和重新生成热边界层;后者为增强蓄热熔化过程和阻碍放热凝固过程中自然对流的扰动作用;翅片间距和翅片厚度则是通过改变蓄热单元平均传热热阻来改变蓄放热性能，减小翅片间距以及增大翅片厚度对蓄热单元蓄放热性具有非常显著的效果，改善效果要明显优于翅片开孔以及增设横肋，但要考虑到蓄热装置可能增加的质量以及初期投资问题，需要进行综合考虑。
　　本文得到相关结论可以为移动式相变蓄热装置的设计、优化与工程应用奠定基础。

目录

声明

摘要

符号说明

1．1 课题研究背景与意义

1．2 工业余热资源特点及利用技术

1．2．1 工业余热资源特点

1．2．2 工业余热资源利用技术

1．3 移动式相变蓄热技术在工业余热资源回收中的应用

1．4 相变蓄热材料强化换热研究现状

1．4．1 增设翅片或肋片强化传热

1．4．2 相变蓄热材料组合式强化传热

1．4．3 添加高导热系数材料强化传热

1．4．4 相变蓄热材料微封装技术强化传热

1．5 本文主要研究内容

2 蓄热相变传热过程及移动式蓄热相变材料性能分析

2．1 相变传热分析

2．2 相变传热数学模型

2．2．1 温度法模型

2．2．2 焓法模型

2．3 数值计算中Solidification／Melting模型

2．4 相变传热中自然对流问题及数值计算求解方法

2．5 相变蓄热材料的分析

2．5．1 相变蓄热材料分类及优缺点

2．5．2 相变蓄热材料的性能分析

2．6 小结

3 相变蓄热装置蓄放热特性实验研究

3．1 实验目的

3．2 移动式相变蓄热装置的设计

3．3 实验系统、研究工况及步骤

3．3．1 实验系统

3．3．2 实验研究工况

3．3．3 实验步骤

3．4 实验数据误差分析

3．4．1 直接测量误差分析

3．4．2 间接测量误差分析

3．4．3 换热量测量误差分析

3．5 实验结果与分析

3．5．1 蓄热过程相变蓄热材料温度及熔化曲线分析

3．5．2 放热过程相变蓄热材料温度及凝固曲线分析

3．6 蓄热装置性能分析

3．6．1 蓄放热量及其无量纲数分析

3．6．2 蓄放热速率分析

3．7 小结

4 移动蓄热相变过程的数值模拟与材料选取

4．1 蓄热单元几何模型及数学模型

4．1．1 蓄热单元几何模型

4．1．2 数学模型

4．2 模型网格划分与数值计算方法

4．2．1 网格划分及边界条件

4．2．2 数值计算方法

4．3 模型计算结果验证

4．3．1 网格独立性验证

4．3．2 计算模型的验证

4．4 蓄热过程数值模拟结果分析

4．4．1 蓄热装置蓄放热量及蓄放热速率

4．4．2 不同相变蓄热材料蓄热量及平均蓄热速率

4．4．3 蓄热过程模拟结果云图分析

4．5 放热过程中数值模拟结果分析

4．5．1 不同相变蓄热材料放热量及平均放热速率

4．5．2 放热过程模拟结果云图分析

4．6 小结

5 移动相变蓄热装置结构优化数值模拟研究

5．1 翅片开孔对蓄放热性能的影响

5．2 横肋对蓄放热性能的影响

5．3 翅片间距对蓄放热性能的影响

5．4 翅片厚度对蓄放热性能的影响

5．5 小结

6．1 本文结论

6．2 本文创新点

6．3 不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要成果