【摘要】：在能源危機(jī)的時(shí)代背景下,作為傳統(tǒng)能源的化石燃料面臨不可再生的消耗,人們開(kāi)始考慮新能源的開(kāi)發(fā)與利用,建筑節(jié)能已成為廣泛關(guān)注的話(huà)題,相變儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)在室內(nèi)安裝相變儲(chǔ)能材料的蓄熱設(shè)備,或在墻壁、門(mén)窗和地板中加入相變儲(chǔ)能材料,利用其相變過(guò)程儲(chǔ)存與釋放熱量的特性有效降低建筑物室內(nèi)溫度波動(dòng),提高舒適性。其中固液相變儲(chǔ)能材料的應(yīng)用受到廣泛重視,對(duì)固液相變過(guò)程特性的研究成為建筑節(jié)能領(lǐng)域的重要方向。本文主要以石蠟為研究介質(zhì),采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬方法相結(jié)合的方法,深入研究了石蠟相變的過(guò)程特性和換熱機(jī)理。首先通過(guò)DSC(差示掃描量熱法)和Hotdisk技術(shù)測(cè)試石蠟的相變溫度、相變潛熱值、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容等物性參數(shù);以此為基礎(chǔ),搭建了固液相變實(shí)驗(yàn)臺(tái),實(shí)驗(yàn)研究含多孔骨架石蠟的融化過(guò)程及其特性,通過(guò)CCD相機(jī)觀測(cè)相變過(guò)程,重點(diǎn)關(guān)注相界面的形成和遷移;通過(guò)在多孔骨架中埋設(shè)布置微型熱電偶來(lái)定量測(cè)量其溫度分布,研究在不同的加熱功率下石蠟的相變過(guò)程特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,石蠟在蓄熱過(guò)程中等溫線在邊界處和固液相界面處最為密集,溫度梯度大。沿?zé)崃鞣较驕囟戎饾u降低,隨著蓄熱過(guò)程的進(jìn)行,最終趨于一致。沿高度方向上溫度變化趨勢(shì)大致相同,隨著高度增加溫度增大,隨著蓄熱過(guò)程的進(jìn)行最終趨于平穩(wěn)。增加熱流密度可以加快蓄熱材料的相變傳熱過(guò)程,但相變響應(yīng)時(shí)間并不與其成正比。蓄熱材料的物性會(huì)影響相變換熱的過(guò)程,比熱容影響其液化前的升溫速率,比熱容越小,升溫速率越大;相變潛熱影響融化階段的升溫速率,潛熱愈大,潛熱階段溫度變化愈平穩(wěn)。為了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證并得到本實(shí)驗(yàn)?zāi)壳盁o(wú)法測(cè)得的相關(guān)結(jié)論,如速度場(chǎng)分布與液相率的變化等,進(jìn)一步研究蓄熱材料的相變換熱機(jī)理,本文建立了數(shù)值模擬計(jì)算模型,采用了金屬鋁和尼龍兩種骨架材料,研究了在蓄熱材料中不同物性的多孔骨架對(duì)其傳熱和流動(dòng)的影響。結(jié)果表明含金屬鋁骨架的石蠟導(dǎo)熱性能良好,溫度和速度變化最為均勻,腔體內(nèi)加入金屬鋁骨架使得相變材料在各方向上溫度變化更緩和,骨架的存在強(qiáng)化了導(dǎo)熱,減弱了自然對(duì)流換熱;相變過(guò)程的流線分布在腔體邊界處和固液相界面處最密集;含尼孔骨架的腔體石蠟固液相界面由于尼龍材料的低導(dǎo)熱率而呈現(xiàn)階梯狀,單介質(zhì)石蠟呈現(xiàn)為一光滑曲線,含金屬骨架的石蠟相界面近似為一條傾斜的直線。通過(guò)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相互對(duì)比,驗(yàn)證結(jié)果吻合良好。
[Abstract]:Under the background of energy crisis, fossil fuels, as traditional energy sources, are faced with non-renewable consumption. People begin to consider the development and utilization of new energy sources. Energy saving in buildings has become a topic of widespread concern, and phase change energy storage technology has emerged as the times require. By installing thermal storage equipment of phase change energy storage material indoors, or adding phase change energy storage material to walls, doors, windows and floors, the characteristics of heat storage and heat release during phase transformation process are used to effectively reduce indoor temperature fluctuation and improve comfort of buildings. Among them, the application of solid-liquid phase change energy storage materials has been paid more and more attention, and the study of the characteristics of solid-liquid phase change process has become an important direction in the field of building energy conservation. In this paper, the process characteristics and heat transfer mechanism of paraffin phase transition are studied by using the method of experiment and numerical simulation. First, the phase change temperature, latent heat value, thermal conductivity and specific heat capacity of paraffin wax were measured by DSC (differential scanning calorimetry) and Hotdisk technique. On this basis, a solid-liquid phase transition experimental platform was built, the melting process and characteristics of paraffin with porous skeleton were studied experimentally. The phase transition process was observed by CCD camera, focusing on the formation and migration of phase interface. The temperature distribution of micro-thermocouple embedded in the porous skeleton was measured quantitatively and the phase transition characteristics of paraffin under different heating power were studied. The experimental results show that the isotherm of paraffin wax is the most dense at the boundary and the solid-liquid interface during the process of heat storage, and the temperature gradient is large. The temperature decreases gradually along the direction of heat flux, and eventually tends to be consistent with the process of heat storage. The variation trend of temperature along the direction of height is approximately the same, and the temperature increases with the increase of height, and finally becomes stable with the process of heat storage. Increasing heat flux can accelerate the phase change heat transfer process of regenerative materials, but the phase transition response time is not directly proportional to it. The physical properties of heat storage materials will affect the process of phase change heat transfer, and the specific heat capacity will affect the heating rate before liquefaction. The smaller the specific heat capacity is, the greater the heating rate is. The latent heat of phase change affects the heating rate of melting stage. The bigger the latent heat is, the more stable the change of temperature in latent heat stage is. In order to verify the experimental results and obtain some conclusions, such as the distribution of velocity field and the change of liquid phase rate, the mechanism of phase change heat transfer of heat storage materials is further studied. A numerical simulation model is established in this paper. The effects of porous frameworks with different physical properties on heat transfer and flow in thermal storage materials were studied by using two kinds of framework materials, aluminum and nylon. The results show that the thermal conductivity of paraffin wax containing metal aluminum skeleton is good, and the temperature and velocity change is the most uniform. The temperature change of phase change material is more moderate with the addition of metal aluminum skeleton in the cavity, and the thermal conductivity is strengthened by the existence of framework. The natural convection heat transfer is weakened; The streamline distribution of the phase transition process is most dense at the boundary of the cavity and the solid-liquid interface. Because of the low thermal conductivity of nylon material, the solid liquid phase interface of cavity paraffin with nylon pore skeleton presents a ladder shape, the paraffin in single medium presents a smooth curve, and the interface of paraffin phase with metal skeleton is approximately an inclined straight line. The comparison between the simulation results and the experimental results shows that the results are in good agreement with each other.
【學(xué)位授予單位】：山東建筑大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TU59;TU201.5

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本文編號(hào)：2370055