【摘要】：相變材料尤其是有機(jī)相變材料在作為蓄能材料時(shí)由于其導(dǎo)熱系數(shù)小,往往需要通過(guò)增加翅片、金屬粒子或是增加金屬網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱。而在相變?nèi)刍^(guò)程一般以接觸熔化方式為主,裝有相變材料的封閉容器中受重力的作用使得加熱面和相變材料的固態(tài)部分緊密接觸,熔化的液體受到排擠沿著加熱面被排出從而形成了一層薄的液膜從而獲得較高的加熱率。從而在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了在矩形腔體內(nèi)通過(guò)傾斜可以獲得比原來(lái)非傾斜狀態(tài)更高的傳熱量,從而更快的熔化速率。實(shí)驗(yàn)采用有機(jī)玻璃腔體作為容器來(lái)構(gòu)建可視化的環(huán)境將相變?nèi)刍^(guò)程通過(guò)相機(jī)記錄下來(lái)并后期用圖像處理可以得到液相份數(shù)以及固液界面線(xiàn)。通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)并通過(guò)圖像數(shù)字化軟件處理的方法可以確定傾斜角與完全熔化時(shí)間的關(guān)系,找到“轉(zhuǎn)換角”,最終確定使得蓄能元件熔化效率最高的最佳傾斜角。由于相變?nèi)刍^(guò)程導(dǎo)致數(shù)學(xué)模型的非線(xiàn)性使得少數(shù)理想情況才存在分析解,大部分有限容積問(wèn)題通過(guò)近似求解和數(shù)值模擬的方法獲得。通過(guò)對(duì)非傾斜狀態(tài)下的矩形腔體近似分析解模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比結(jié)果吻合程度良好,證明了圖像處理的可行性。并在非傾斜的狀態(tài)下提出了傾斜狀態(tài)下的矩形腔體內(nèi)接觸熔化模型并得到了對(duì)應(yīng)的近似分析解與傾斜情況實(shí)驗(yàn)對(duì)比,吻合良好,證明了在傾斜矩形腔體內(nèi)接觸熔化為其主要傳熱方式。采用數(shù)值模擬構(gòu)建熔化模型并發(fā)現(xiàn)相變?nèi)刍^(guò)程存在5個(gè)階段,第一階段發(fā)生在熔化的開(kāi)始階段,固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變的階段;第二階段底部固態(tài)相變材料和加熱面的液膜穩(wěn)定形成的階段;第三階段隨著液態(tài)相變材料的增多,使得右接觸面和固態(tài)相變材料之間液體層逐漸趨于穩(wěn)定;第四階段穩(wěn)定后的固態(tài)相變材料在重力的作用下下沉;第五階段此階段主要是針對(duì)傾斜角為45°和60°之間,在此角度之間受自然對(duì)流的影響明顯。通過(guò)與近似分析解的對(duì)比可以看出,熔化初期主要以接觸熔化為主,而對(duì)流換熱在后期變得強(qiáng)烈變得不可忽略。
[Abstract]:Phase change materials, especially organic phase change materials, when they are used as energy storage materials, because of their small thermal conductivity, it is often necessary to enhance heat transfer by adding fins, metal particles or increasing the structure of metal mesh. In the process of phase change melting, contact melting is the main way, and the effect of gravity on the closed vessel containing phase change material makes the heating surface contact closely with the solid part of the phase change material. The molten liquid is extruded along the heating surface to form a thin liquid film to obtain a higher heating rate. On this basis, it is found that higher heat transfer and faster melting rate can be obtained by tilting in the rectangular cavity than in the original non-tilted state. An organic glass cavity is used as a container to construct a visual environment in which the melting process of phase transition can be recorded by the camera and then processed by image processing to obtain the number of liquid phases and the solid-liquid interface line. The relationship between the tilt angle and the complete melting time can be determined by visualization experiment and image digitization software processing, and the "conversion angle" can be found. Finally, the optimal tilt angle with the highest melting efficiency of the energy storage element can be determined. Due to the nonlinearity of the mathematical model caused by the melting process of phase transition, the analytical solutions exist in a few ideal cases, and most of the finite volume problems are obtained by means of approximate solution and numerical simulation. The approximate analytical solution model of rectangular cavity in non-tilted state is in good agreement with the experimental results, and the feasibility of image processing is proved. At the same time, the contact melting model of rectangular cavity in inclined state is put forward and the corresponding approximate analytical solution is compared with the experimental results in the inclined state, and the results are in good agreement with the experimental results. It is proved that contact melting in inclined rectangular cavity is the main heat transfer mode. The melting model is constructed by numerical simulation, and it is found that there are five stages in the melting process. The first stage occurs in the initial stage of melting, and the phase of solid-state to liquid-state transformation. The second stage is the stable formation of the solid phase change material and the liquid film on the heating surface, and the third stage makes the liquid layer between the right contact surface and the solid phase change material become stable gradually with the increase of the liquid phase change material. In the fourth stage, the solid phase change materials sink under the action of gravity, and in the fifth stage, the inclination angle is between 45 擄and 60 擄, which is obviously influenced by the natural convection. Through the comparison with the approximate analytical solution, it can be seen that the initial melting is dominated by contact melting, while the convective heat transfer becomes intense at the later stage and cannot be ignored.
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TB34

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本文編號(hào)：2445571