双螺旋盘管相变蓄热器的实验与数值模拟研究

摘要

太阳能是可再生能源中可利用储量最丰富的能源之一，但是太阳能自身的分散性和间歇性是制约其广泛应用的主要因素；利用蓄热技术以改善可再生能源的不稳定性和波动性，是实现太阳能可靠高效利用的关键技术之一。同时，蓄热不仅可以将太阳能、工业余热、移动式热源废热等中低品位能量可控地存储与释放，还可以通过主动调控实现热功转换系统稳定地输出。因此，高效稳定的蓄热技术研究是当前可再生能源利用研究的重点。而其中相变材料改性和蓄热器结构优化又是蓄热技术需要综合考虑的技术难点。
　　本文主要工作是针对太阳能能流变化特点和蓄热温区范围，选取了蓄热密度较大、稳定性较好的赤藻糖醇作为储热介质，并设计了该介质的双螺旋盘管相变蓄热器。首先通过计算和数值模拟的方法对比分析了螺旋盘管的管径、弯曲半径和流体流速对流动压降及对流换热特性的影响，模拟发现：螺旋盘管的管径增加，换热系数会增加，压降减小；螺旋盘管的弯曲半径减小，压降会增加；流体流速对换热系数和压降影响更大。然后建立了带可视化视窗的太阳能中低温相变蓄热实验台，研究了赤藻糖醇双螺旋盘管蓄热器的蓄热特性，获得了相变蓄热材料在双螺旋盘管相变蓄热器内的温度变化和熔化规律，并分析了进口流量对蓄热性能的影响，实验结果表明：蓄热材料熔化过程用时450 min，相变材料熔化过程均匀，熔化率为95％；布置在相变蓄热器上端靠近管壁的温度测点温度上升最快；靠近箱体底部的蓄热材料温度升高比较慢；改变进口流量对于蓄热器的进、出口温度影响不大，对于蓄热速率基本上没有影响；提高导热油的入口温度，会明显的加快蓄热材料的熔化速度。并用数值分析方法模拟了双螺旋盘管蓄热器蓄热过程的温度变化和熔化特性，及进口温度的影响，并进行了对比分析。最后以一个太阳能蓄热热水系统为案例，对比分析了有、无蓄热的太阳能热水系统的热经济性。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究进展和应用现状

1.3 目前存在的问题

1.4 本文研究内容与方法

1.5 本章小结

第二章 螺旋盘管内流体的压降和对流换热分析

2.1 管内流体的流动特性

2.2 管内流体的压降和对流换热

2.3 螺旋盘管的管径及流速选择

2.4 螺旋盘管压降和温度的模拟

2.5 本章小结

第三章 双螺旋盘管相变蓄热器实验研究

3.1 实验系统工作原理

3.2 相变蓄热材料筛选

3.3 相变蓄热系统设备构成

3.4 热电偶的布置及标定

3.5 实验系统不确定度分析

3.6 蓄热过程结果分析

3.7 本章小结

第四章 双螺旋盘管相变蓄热器的数值模拟

4.1 双螺旋盘管蓄热器模型的建立

4.2 Fluent计算过程参数设置

4.3 数值模拟模型验证

4.4 数值模拟结果分析

4.5 本章小结

第五章 蓄热式太阳能热水系统技术经济分析

5.1 常规分体式太阳能热水系统

5.2 蓄热式太阳能热水系统

5.3 蓄热式太阳能热水系统经济效益分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 本文结论

6.2 研究展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢