单元组装式太阳能储热装置的蓄热性能研究

摘要

太阳能热利用是可再生能源中最具有广泛应用前景中的一种,但是其开发利用受到昼夜更迭、四季轮回、天气变化的影响,能量供给不稳定。因此,开发经济、实用、可模块化生产的单元组装式太阳能储热装置,将单元标准化,进而将标准化的产品进行组装,实现能量叠加,从而能够与用户更好的实现对接,解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾,实现以上事实,首先需了解每一单元的蓄热性能,因此对储热单元的蓄热性能展开研究,具有非常重要的现实意义。
　　本文选择目前应用广泛的中温相变材料熔盐和设计一种可单元组装的太阳能储热装置结构,对其蓄热过程进行了实验分析和数值模拟研究。
　　首先,根据能量供求关系,设计一种单元组装式太阳能储热装置,搭建光热转换系统实验台进行实验研究,通过取热实验,初步估算了储热装置的经济效益。结果表明:自然对流对相变材料起到加速其熔化,延缓其凝固的作用,并且储热装置内上层温度变化速率大于下层温度变化速率,传热温差越大,蓄热时间越短。
　　其次,通过建立物理模型,利用Fluent软件中的熔化/凝固模型对相变材料的蓄热过程进行数值分析,通过数值模拟和实验结果的对比,验证了所建立数学模型的可靠性,获得了不同初始条件下,相变材料的熔化过程随时间的变化关系,并得到了相变时间、蓄热时间与传热介质流速、温差的关系表达式。对光热系统以及储热装置的设计提供了参考依据。
　　最后,采用强化传热-螺纹管换热器结构和双循环螺旋管换热器结构,通过强化传热前后的温度场对比,结果表明:
　　(1)采用螺纹管换热器强化传热后,相变材料一定程度上加快了蓄热速度,相变时间提高了约35％,蓄热时间提高了约20%,得到了传热介质流量、温差与相变时间、蓄热时间的关系;但储热装置仍然有传热死区现象。
　　(2)采用双循环螺旋管换热器结构,由于其在储热装置内分布均衡,致使每一平面上温差较小,蓄热速度明显加快,相变时间提高了约50%,蓄热时间提高了约40%,得出采用双循环螺旋管换热器结构解决了相变材料熔化过程中存在传热死区的问题;对强化传热方法的研究及实际工程中的推广应用具有一定的现实意义。

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第一章 绪 论

1.1 中国的能源现状

1.2 太阳能开发利用

1.3 太阳能储能技术

1.4 相变储能技术的国内外研究及应用概况

1.5 目前存在的问题

1.6 本文研究的目的及意义

1.7 本文研究的主要内容及创新点

第二章 实验系统与熔化实验

2.1 相变材料的选择

2.2 实验系统

2.3 熔化实验研究

2.4 本章小结

第三章 固-液相变储热装置数值分析方法

3.1 相变传热的特点

3.2 相变传热问题的求解方法概述

3.3 CFD软件在相变传热数值计算中的应用

3.4 物理模型的建立

3.5 数学模型

3.6 Fluent参数的设置

3.7 图形后处理

3.8 本章小结

第四章 基于单元组装式太阳能储热装置的数值模拟分析

4.1熔化过程的模拟分析

4.2本章小结：

第五章 单元储热装置的强化传热方法分析

5.1 螺纹管换热器在相变蓄热中强化传热作用的数值模拟

5.2 熔化过程的模拟分析

5.3 双循环螺旋管在相变蓄热中强化传热作用的数值模拟

5.4 本章小结：

第六章 总结与展望

6.1 课题总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文