【摘要】：固液相變是實(shí)現(xiàn)潛熱儲(chǔ)存和釋放的重要途徑,潛熱蓄熱具有蓄熱密度高、相變溫度范圍廣、相變材料豐富且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于太陽能利用、電力系統(tǒng)“削峰填谷”以及余熱回收等領(lǐng)域。由于固液相變材料存在導(dǎo)熱系數(shù)低的問題,因此開展固液相變傳熱強(qiáng)化研究對(duì)于研發(fā)相變儲(chǔ)能系統(tǒng)及能量高效利用具有重要的意義。目前強(qiáng)化固液相變換熱技術(shù)的方法主要是從裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相變材料選型這兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。其中,相變材料選型優(yōu)化主要依賴于材料行業(yè)發(fā)展,目前可選用的芯體材料還比較少;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化目前主要采用肋片方式。但常規(guī)的肋片形狀單一,缺少空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置,對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的溫度均勻性的改善效果不明顯。受分形樹狀結(jié)構(gòu)在電子芯片散熱、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面成功應(yīng)用的思想啟迪,本文將分形樹狀結(jié)構(gòu)引入到固液相變儲(chǔ)能領(lǐng)域中,提出一種新型的固液相變換熱器,改善相變材料(PCM)儲(chǔ)能過程的傳熱性能。目前,針對(duì)該型相變換熱器的強(qiáng)化換熱機(jī)理尚不清晰,樹狀結(jié)構(gòu)布置形式也有待優(yōu)化設(shè)計(jì)。為此,本文建立了分形樹結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能換熱器的固液相變傳熱過程的理論模型,數(shù)值研究了PCM相變傳熱行為及分形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化傳熱特性。并且,本文還開展了分形樹狀換熱器的傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究。概括起來,本文的研究?jī)?nèi)容及主要結(jié)論如下:(1)開展了分形樹狀換熱器固液相變傳熱過程的數(shù)值研究。建立了分形樹狀換熱器固液相變傳熱過程的二維理論模型并進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了分形樹狀換熱器的固液相變動(dòng)態(tài)傳熱性能,給出了凝固過程的溫度變化特性、相變界面移動(dòng)特性以及潛熱顯熱釋放特性,分析了分形樹結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)、材料對(duì)相變傳熱性能的影響。研究結(jié)果表明:(a)分形樹骨架的溫度變化快于相變區(qū)域。分形樹骨架內(nèi)的等溫線相互平行,相變區(qū)域內(nèi)的等溫線近似沿分形樹骨架表面分布,且越靠近分形樹骨架,等溫線越密集,溫差越大,而骨架分支中間的等溫線呈橢圓環(huán)狀分布;(b)相變前期凝固范圍大致沿分形樹骨架輪廓分布并沿著骨架不斷向外延伸,相變中期相變區(qū)域呈現(xiàn)均勻分布的“水滴”形狀和“三角狀”,大“水滴”出現(xiàn)在0級(jí)分叉區(qū)域,小“水滴”出現(xiàn)在1級(jí)分叉區(qū)域,“三角狀”出現(xiàn)在圓盤邊緣,相變末期小“水滴”先消失,隨后“大水滴”消失,而“三角狀”最后消失;(c)凝固過程放出的熱量中潛熱值占的比重很大,且潛熱釋放速度遠(yuǎn)大于顯熱釋放速度;(d)對(duì)分形樹狀換熱器固液相變傳熱性能影響最大的參數(shù)是分形樹級(jí)數(shù),其次是總支數(shù),然后是長(zhǎng)度分形維數(shù),寬度分形維數(shù)對(duì)傳熱性能的影響較小,且這些參數(shù)對(duì)相變時(shí)間的影響大于對(duì)放熱效率的影響。當(dāng)分形樹級(jí)數(shù)k=2,總支數(shù)F=6,長(zhǎng)度分形維數(shù)D=-1.8時(shí),分形樹狀換熱器的傳熱性能相對(duì)最優(yōu)。(2)設(shè)計(jì)加工了分形樹狀換熱器,搭建了固液相變實(shí)驗(yàn)平臺(tái),研究了相變過程中各個(gè)方向的傳熱特性以及運(yùn)行工況對(duì)傳熱性能的影響。研究結(jié)果表明:(a)熔化過程中,對(duì)流作用起主導(dǎo)作用,而在凝固過程中,起主導(dǎo)作用的主要是熱傳導(dǎo)。經(jīng)歷相同時(shí)間后,熔化過程蓄積的熱量大于凝固過程釋放的熱量,說明對(duì)流過程加速了熱量的傳遞;(b)相變過程中的溫度曲線均經(jīng)歷了快速升(降)溫期、相變平緩期、再次快速升(降)溫與溫度平緩期;軸向方向凝固過程中各層的溫度曲線基本重合;徑向方向各溫度曲線走勢(shì)大致一致,且初期的快速升溫期和末期的溫度平緩期溫度曲線基本重疊;圓周方向相變材料區(qū)域的溫度變化滯后于金屬骨架的溫度變化,相變區(qū)域的溫度均勻性較好,且凝固過程的溫度均勻速度快于熔化過程;(c)熔化過程中多處測(cè)點(diǎn)的溫度曲線出現(xiàn)了“二次熔化”現(xiàn)象,即溫度曲線經(jīng)歷了2次相變平緩期過程;(d)隨著初始溫差和流量的分別增大,系統(tǒng)內(nèi)相變材料完全相變所需的時(shí)間均呈非線性地減少。本文開展了分形樹狀換熱器固液相變傳熱的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,揭示了分形樹狀換熱器中的固液相變傳熱機(jī)理,研究工作為相變儲(chǔ)能強(qiáng)化換熱技術(shù)的發(fā)展提供理論支撐。
【圖文】：

圖 1-1 固液相變材料分類變材料包括石蠟、脂肪酸以及烷烴這三類[20]。有機(jī)相變材料的有過冷現(xiàn)象，，不會(huì)產(chǎn)生相分離，在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。Hale[21材料的相關(guān)特性，這可以為熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)中相變材料的選擇[22-24]綜述了有機(jī)相變材料的在生產(chǎn)實(shí)際中的具體應(yīng)用；工業(yè)石度范圍寬和蓄熱密度適中[25]等特點(diǎn)，梁辰[26]、鄒得球[27]等分別擬的方法對(duì)石蠟類相變材料在建筑儲(chǔ)能、工業(yè)余熱方面的應(yīng)用進(jìn)料主要來自植物和動(dòng)物，有利于環(huán)境保護(hù)，相變溫度范圍為 30和熱力學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定[28-30]，因此在低中溫工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較廣]研究了豆蔻酸的熱性能，發(fā)現(xiàn)這種脂肪酸在低溫下穩(wěn)定性更好，它表現(xiàn)出的性能更好。變材料主要包括無機(jī)鹽水合物和金屬合金這兩類。硝酸鹽具有穩(wěn)相變溫度范圍和適中的熔化潛熱值，國內(nèi)外一些學(xué)者[32,33]根據(jù)硝實(shí)驗(yàn)研究，著重測(cè)量和分析了新型熔鹽的粘度特性。盡管金屬合密度，但其導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能良好，并且其在相變期間的體積變化

本章首先詳細(xì)介紹了分形樹狀換熱器的二維平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以此建立模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。以凝固過程為例，研究分析了該固液換熱器內(nèi)相變材料的溫度和液相率隨時(shí)間的變化規(guī)律，著重分析了分形樹結(jié)構(gòu)的各幾何參數(shù)（包括級(jí)數(shù) k、總支數(shù) F、長(zhǎng)度分形維數(shù) D 和寬度分形維數(shù)△）對(duì)固液相變傳熱性能的影響，從而得出適用于固液相變換熱器的最佳分形樹狀結(jié)構(gòu)。2.1 分形樹狀換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自然界存在許多分形樹狀結(jié)構(gòu)，如樹木從主干到枝干的逐級(jí)分叉結(jié)構(gòu)、雪花的逐級(jí)分形結(jié)構(gòu)等，如圖 2-1 所示，另外人體的血管、氣管、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等也是典型的分形結(jié)構(gòu)。自然界的分形結(jié)構(gòu)是經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的演化而成，根據(jù)達(dá)爾文進(jìn)化論，這是經(jīng)過自然選擇的結(jié)果，存留下來的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是最優(yōu)的或者接近最優(yōu)的。許多學(xué)者對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究并用數(shù)學(xué)語言來闡述這種自然現(xiàn)象，使之能指導(dǎo)工程實(shí)踐的設(shè)計(jì)。目前關(guān)于分形樹狀結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究主要在電子產(chǎn)品的散熱設(shè)計(jì)、燃料電池的熱管理等方面，主要關(guān)注的是分形樹狀通道中的流體流動(dòng)特性，關(guān)于分形樹狀結(jié)構(gòu)本身的導(dǎo)熱傳熱特性研究相對(duì)較少，應(yīng)用前景仍在不斷探索和發(fā)展中。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TK124

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2631262