新型相变蓄热装置蓄放热特性的实验与计算模拟分析

摘要

随着人们生活水平的提高，对工作和生活环境提出了更高的要求，随之对空调的需求也越来越高。空气源热泵机组作为空调系统的冷热源，由于其安装方便、运行操作简单等特点，近年来得到了长足的进展。但是对于冬季室外气温较低、湿度较大的地区，结霜问题是制约空气源热泵机组正常制热运行的主要问题之一。 由于结霜将对机组的制热性能有很大的影响，必须对机组进行必要的除霜。当空气源热泵机组进入除霜工况运行时，室内侧换热器转换为蒸发器，此时不但不能给室内提供热量，反而会从室内取走热量，导致室内供热不稳定，严重影响室内环境的热舒适性。 为此，本论文提出将相变蓄热技术应用于空气源热泵空调系统，采用相变蓄热的方法解决空气源热泵机组的除霜问题。即研究一种可与空气源热泵机组匹配的相变蓄热装置，将一种相变温度为42℃左右的定形相变材料填充于该蓄热装置中，利用该蓄热装置解决空气源热泵机组在除霜过程中造成的供热温度不稳定、制热效率下降、房间热舒适性差的问题。 本论文将采用实验研究与数值模拟比较分析的方法，分析相变材料的几何特性、热媒体的流动特性及相变材料的填充方式对蓄热装置蓄放热特性的影响规律，为蓄热装置的优化设计提供理论和实际应用的参考依据。为此，本论文将在以下几方面进行重点研究。 首先，对目前关于相变材料的研究概况、尤其是国际上新近出现的一种相变材料—定形相变材料的研究概况进行了综合性评述，并介绍了国内外定形相变材料的应用性研究。 其次，引入相变问题数学物理模型及适用于本研究的二维板状模型，采用差分数值方法求解控制方程。 第三，建立了相变蓄热装置蓄放热特性实验的实验台，并对填充了板状定形相变材料的蓄热装置的蓄放热特性及其影响规律进行了实验研究。 第四，将正交试验的方法引入到本实验研究中。设计了三组蓄放热正交试验，并对试验结果进行了方差分析。确定板状定形相变材料的厚度、热媒体的流速及进口温度、板状定形相变材料在蓄热装置内的填充方式对蓄热装置蓄放热速率的影响规律。 第五，采用数值模拟和实验比较的方法，验证了所建立的数学模型的可靠性，为蓄热装置在空气源热泵空调系统的应用研究提供了设计参考依据。 最后，利用数值模拟的方法对一采用了本蓄热装置的空气源热泵空调系统进行了数值模拟分析。分析结果表明：蓄热装置可以有效的解决工程中空气源热泵机组除霜所引起的室内供热品质差的问题。

目录

文摘

英文文摘

独创性说明及关于论文使用授权的说明

第1章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.1.1背景

1.1.2意义

1.2相变材料

1.2.1相变材料介绍

1.2.2相变材料研究内容

1.3国内外文献综述

1.3.1国内文献

1.3.2国外文献

1.4课题前期研究工作概述

1.5本课题的来源和主要研究内容

第2章二维相变板状模型及控制方程

2.1引言-相变传热问题

2.2二维板状数学模型

2.3显热容法

2.4数值求解

2.5本章小结

第3章蓄热装置蓄放热性能实验

3.1引言

3.2实验目的

3.3搭建实验台

3.3.1实验台原理

3.3.2实验数据采集仪器

3.3.3基本实验方法

3.4正交试验

3.4.1正交试验Ⅰ

3.3.4正交试验Ⅱ

3.3.5正交试验Ⅲ

3.4本章小结

第4章蓄放热特性实验结果分析

4.1引言

4.2定形相变板蓄放热特性

4.2.1蓄热过程

4.2.2放热过程

4.3蓄热装置出口水温应答特性

4.4蓄热装置内温度场分布

4.5热媒体流动方向

4.5.1蓄热过程

4.5.2放热过程

4.6蓄放热速率

4.6.1板厚的影响

4.6.2填充方式的影响

4.7蓄热效率

4.8本章小结

第5章数值模拟与实验结果比较

5.1引言

5.2蓄热装置内相变材料蓄放热特性

5.2.1模拟的意义

5.2.2实验描述

5.2.3模拟条件

5.2.4数值模拟结果与实验结果的分析

5.3蓄热装置的出口水温应答特性

5.3.1模拟的意义

5.3.2实验描述

5.3.3模拟条件

5.3.4数值模拟结果与实验结果的分析

5.4本章小结

第6章工程模拟

6.1问题提出

6.2解决方案

6.3工程实例模拟

6.3.1模拟对象

6.3.2蓄热装置设计

6.3.3模拟条件

6.3.4模拟结果分析

6.3.5性能评价

6.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢