伴隨經(jīng)濟的高速發(fā)展,人們關注的重點,慢慢的從經(jīng)濟發(fā)展轉(zhuǎn)移到倡導能源低碳運行、提高資源利用率、保護生態(tài)環(huán)境和實現(xiàn)人類社會和諧可持續(xù)發(fā)展上來。為了解決能源需求急劇增長而供應不足等一系列問題,除了大力開展節(jié)能、科學用能和化石燃料的清潔高效利用等研究以外,還必須加快可再生能源如太陽能、風能等的開發(fā)和利用。然而風能、潮汐能、太陽能等可再生能源具有間歇性和波動性的特點,其并網(wǎng)將對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊,導致棄風、棄光等浪費能源的現(xiàn)象非常嚴重。為了解決這類問題,研究者們提出采用儲能技術對可持續(xù)能源進行調(diào)節(jié),但傳統(tǒng)的抽水蓄能、壓縮空氣儲能等儲能方式受到地理條件的限制,影響其大規(guī)模的利用。為了解決此類問題,我國中科院提出了超臨界壓縮空氣的儲能方式,其不受地理條件的限制并可大規(guī)模應用。超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)主要是將空氣壓縮到超臨界狀態(tài),冷卻液化之后儲存在低溫儲罐中。在壓縮過程中由于空氣的壓力升高而產(chǎn)生大量的壓縮熱,為提高系統(tǒng)效率,需要在壓縮過程中采用級間冷卻技術,將壓縮熱通過翅片管式氣-液換熱器換熱后儲存在良好的蓄熱介質(zhì)中。因此換熱器作為蓄熱系統(tǒng)的核心部件,其性能將會影響整個系統(tǒng)的效率。本文以國家“973”項目-“中高溫儲熱材料與儲熱單元傳熱強化機理”(項目編號:NO.2015CB251303)為依托,采用實驗和數(shù)值模擬兩種方法展開研究。在實驗部分,針對四種不同翅片間距的翅片管式氣-液換熱器,采用高溫空氣-熔鹽(Hitec)、水-空氣、乙二醇溶液-空氣進行對流換熱實驗,通過改變管內(nèi)外介質(zhì)流速以對其變工況下的換熱和流動情況展開對比分析。數(shù)值模擬部分建立了翅片管式氣-液換熱器的三維模型,著重考察高溫空氣-熔鹽換熱時壓力、流速等工況的變化對換熱性能及阻力特性的影響。研究結(jié)果對超臨界壓縮空氣系統(tǒng)中壓縮熱的高效回收利用具有一定的指導意義。本文主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下:(1)對翅片管式高溫空氣-熔鹽換熱器進行了實驗研究,搭建了高溫空氣-熔鹽換熱系統(tǒng),其子系統(tǒng)包括熔鹽主回路系統(tǒng)、熱空氣系統(tǒng)、導熱油冷卻系統(tǒng)、水循環(huán)冷卻系統(tǒng)和測試系統(tǒng)。實驗通過熱平衡原理對加熱量和流體流量進行調(diào)節(jié),熔鹽從空氣中吸收熱量,再與導熱油換熱釋放熱量,使系統(tǒng)達到熱平衡狀態(tài)。(2)實驗分四步進行,第一步通過導熱油冷卻系統(tǒng)反推熔鹽流量,確定了熔鹽泵頻率與熔鹽流量的關系,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,擬合出兩者之間的線性關系式q_(ms)=0.01456f_p-0.2318;第二步進行高溫空氣-熔鹽換熱實驗,得到了高溫空氣流速、熔鹽流速、翅片間距變化對換熱和流動特性的影響規(guī)律;第三步進行水-空氣、乙二醇-空氣的對流換熱實驗,實驗得到了水、乙二醇、空氣三種流體流速及翅片間距的變化對其換熱和流動特性的影響規(guī)律;第四步,總結(jié)實驗各部分得到的換熱準則關聯(lián)式。(3)對翅片管式氣-液換熱器建立了三維計算模型,采用FLUENT軟件進行數(shù)值模擬研究。在建模時,考慮到管內(nèi)熔鹽的動力粘度隨溫度變動大的特點,將管內(nèi)熔鹽與管外空氣的對流換熱進行耦合計算,從而避免了以往在計算中將管內(nèi)壁設置為恒熱流或恒壁溫而產(chǎn)生的誤差。結(jié)果表明:1)隨著空氣的流動,前排管尾流區(qū)比后排管尾流區(qū)范圍小,后排管換熱較差。且隨著流速的增加,背風側(cè)即管排后方的低溫區(qū)范圍逐漸減小,因回流產(chǎn)生的流動死區(qū)面積逐漸減小,換熱增強。2)隨著空氣壓力的增大,翅片表面平均溫度升高,等溫線更趨于規(guī)則,接近圓環(huán)狀,而且溫度等值線分布越來越密集,溫度梯度逐漸變大,換熱得到強化,表現(xiàn)為換熱系數(shù)逐漸增大。3)空氣壓力為0.1MPa時,其換熱系數(shù)及流動阻力系數(shù)幾乎隨空氣側(cè)Re數(shù)的增加呈線性變化,而壓力工況為0.63MPa時,二者都呈非線性趨勢。
【學位單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TK124
【文章目錄】：
摘要
Abstract
物理量名稱及符號表
第1章 緒論
    1.1 引言
    1.2 壓縮空氣儲能系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
        1.2.1 CAES技術研究現(xiàn)狀
        1.2.2 超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)研究
    1.3 熔鹽蓄熱的研究現(xiàn)狀
    1.4 翅片管式換熱器的研究進展
        1.4.1 國內(nèi)外實驗研究現(xiàn)狀
        1.4.2 數(shù)值模擬方法在翅片管式換熱器研究中的應用
    1.5 本文研究內(nèi)容
第2章 翅片管式氣-液換熱器傳熱實驗系統(tǒng)及方案
    2.1 實驗原理
    2.2 高溫空氣-熔鹽換熱實驗系統(tǒng)組成
        2.2.1 熔鹽主回路系統(tǒng)
        2.2.2 熱空氣系統(tǒng)
        2.2.3 導熱油冷卻系統(tǒng)
        2.2.4 水循環(huán)冷卻系統(tǒng)
        2.2.5 測試系統(tǒng)
    2.3 高溫空氣-熔鹽換熱實驗操作方法
        2.3.1 實驗準備階段
        2.3.2 實驗進行和結(jié)束階段
    2.4 水-空氣、乙二醇溶液-空氣換熱實驗系統(tǒng)介紹
    2.5 本章小結(jié)
第3章 翅片管式氣-液換熱器對流換熱實驗研究
    3.1 實驗介質(zhì)物性參數(shù)
        3.1.1 導熱油物性參數(shù)
        3.1.2 熔鹽物性參數(shù)
        3.1.3 空氣物性參數(shù)
        3.1.4 乙二醇（56%）溶液物性參數(shù)
    3.2 實驗數(shù)據(jù)處理
    3.3 高溫空氣-熔鹽對流換熱實驗數(shù)據(jù)分析
        3.3.1 管內(nèi)工質(zhì)側(cè)傳熱性能分析
        3.3.2 管外空氣側(cè)傳熱及阻力特性分析
    3.4 水和乙二醇溶液對空氣對流換熱的實驗結(jié)果分析
        3.4.1 管內(nèi)工質(zhì)側(cè)傳熱性能分析
        3.4.2 管外空氣側(cè)傳熱及阻力特性分析
    3.5 實驗誤差分析
        3.5.1 測量誤差
        3.5.2 理論誤差
    3.6 本章小結(jié)
第4章 翅片管式高溫空氣-熔鹽換熱器的數(shù)值模擬研究
    4.1 CFD數(shù)值模擬方法
    4.2 數(shù)學物理模型
    4.3 模型的網(wǎng)格劃分
    4.4 邊界條件的設定
    4.5 計算區(qū)域的數(shù)學描述
    4.6 數(shù)值模擬驗證
    4.7 數(shù)據(jù)整理方法
    4.8 模擬結(jié)果分析
        4.8.1 整體溫度場分布
        4.8.2 空氣流速對流場與溫度場的影響
        4.8.3 空氣壓力對流場與溫度場的影響
        4.8.4 翅片管換熱器傳熱性能的綜合評價
    4.9 本章小結(jié)
結(jié)論與展望
參考文獻
攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文
致謝

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 朱家齊;;新型的碳化硅高溫換熱器能源消耗降低20%,產(chǎn)量提高10%[J];成都科技大學學報;1987年02期

2 王宗森;沈熊;徐元輝;畢樹勖;;應用二維激光測速系統(tǒng)和可視化技術研究換熱器流動和阻力特性[J];核科學與工程;1987年Z1期

3 劉人侃;;不銹鋼換熱器的應力腐蝕及預防措施[J];石油化工設備技術;1987年04期

4 張應豪;折流桿換熱器的試驗及其應用[J];石油化工設備;1988年01期

5 魏淑英;高壓加氫換熱器的結(jié)構(gòu)[J];石油化工設備;1988年03期

6 汪曉昱;鼓泡式換熱器的研制[J];壓力容器;1988年01期

7 張仁貴;張玉柱;;高爐爐頂煤氣顯熱回收可行性研究[J];唐山工程技術學院學報;1988年01期

8 熊巍峰;;RGH—Q換熱器[J];上饒師專學報(自然科學版);1988年05期

9 萬新明;國外冷凝鍋爐研究概況[J];煤氣與熱力;1989年06期

10 賴光熙,謝偉升;熱媒式換熱器的設計與應用[J];石油化工設備;1989年04期

相關博士學位論文 前8條

1 董濤;微管道換熱器內(nèi)微流體的流動與換熱[D];南京理工大學;2003年

2 刁乃仁;地熱換熱器的傳熱問題研究及其工程應用[D];清華大學;2005年

3 周森泉;換熱器溫差場均勻性原則及其應用[D];清華大學;1995年

4 文鍵;基于PIV技術的換熱器內(nèi)部場分布特性研究[D];西安交通大學;2006年

5 鄭繼周;彈性管束換熱器各組件動態(tài)特性研究[D];山東大學;2007年

6 韓勇;(火積)減理論及其換熱器優(yōu)化研究[D];鄭州大學;2017年

7 曲德虎;太陽能輔助空氣源熱泵蓄能系統(tǒng)特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2017年

8 郭敏;基于溫度場均勻原則的蓄熱式地埋管換熱器傳熱分析與優(yōu)化[D];山東建筑大學;2017年

相關碩士學位論文 前10條

1 裴琳;土壤—空氣換熱器換熱特性模擬與應用研究[D];燕山大學;2018年

2 陶聰;汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)換熱器傳熱性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D];武漢理工大學;2016年

3 劉忠秋;翅片管式氣-液換熱器傳熱強化實驗與數(shù)值模擬研究[D];北京工業(yè)大學;2018年

4 霍澗;蛋白質(zhì)在換熱器表面的結(jié)垢和清洗以及抑垢研究[D];蘇州大學;2018年

5 王閃;同軸體組合換熱器結(jié)構(gòu)設計及熱耦合分析[D];安徽工業(yè)大學;2018年

6 王巖;基于定型材料相變換熱器的開發(fā)與數(shù)值分析[D];大連理工大學;2018年

7 樂鄒英;基于旋梯式螺旋折流板的船用空調(diào)換熱器數(shù)值模擬研究[D];江蘇科技大學;2018年

8 朱必佳;自堆積式螺旋速凍機氣流場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D];南京理工大學;2018年

9 田士博;軌道交通用空調(diào)換熱器的優(yōu)化設計及仿真[D];大連交通大學;2018年

10 李廣祺;管翅式換熱器熱力設計優(yōu)化系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D];湖南大學;2017年

本文編號：2866199