蓄热式相变换热器的设计与数值模拟优化

摘要

近年来伴随我国城市化的快速发展，城市冬季采暖已成为人们生活中重要的问题，采用洁净能源——电能进行采暖供热可以减小燃煤供暖带来的环境污染问题。蓄热式相变换热器具有换热和蓄热的特点，储热密度大，换热效率高，并且蓄热式相变换热器在使用过程中具有电力“削峰填谷”的功能，因此对蓄热换热系统及换热器的研究具有重要意义。 本文对蓄热式相变换热器的研究主要包括以下几个方面：（1）设计了室内供暖系统，其中换热器由多组相同结构的相变蓄热材料换热管组成，重点研究了换热管的蓄热过程；（2）换热管采用的是膨胀石墨/石蜡定型复合相变材料制成，该换热管中没有金属管壳，直接实现换热、蓄热过程，与传统的管壳式换热器的换热管比较有显著的特点，文中主要设计了换热管的结构，研究了换热管不同结构尺寸对换热过程及换热时间的影响关系，分析了蓄热过程及蓄热量；（3）在换热管基本结构的基础上，简化了其几何模型，建立了换热管物理模型和数学模型，采用Gambit绘制和划分网格，利用Fluent软件对换热管进行蓄热过程数值模拟。（4）通过分析换热管进行蓄热过程数值模拟结果，研究不同因素对换热管蓄热量和蓄热时长的影响，分析蓄热过程中的基本规律，优化换热管结构和热工参数，获得换热管最优结构和最佳热工参数。 研究结果表明：在同样的入口参数下（流体入口流速为6m/s、温度为353.15K），光滑换热管蓄热时间为505s，管内内凹翅片换热管较光滑管的蓄热时间减少了26s，管内内凸翅片换热管较光滑管的蓄热时间减少了130s；当管内凹翅片换热管的翅片尺寸高度为3mm、宽度为2mm，间距为12.13mm时，不仅能减少蓄热时间，而且蓄热量也较大；在光滑换热管结构下，如果入口温度为343.15K，入口流速为8m/s时，换热管的蓄热时间较短，为418s，蓄热量最大，为775.74KJ。