本文關(guān)鍵詞：潛熱蓄熱相變過程換熱強(qiáng)化研究

  更多相關(guān)文章： 相變蓄熱 管殼式結(jié)構(gòu) 泡沫金屬 肋片 線性變化孔隙率

【摘要】：蓄熱技術(shù)具有緩和峰谷差異,穩(wěn)定能量輸出的作用,因此在太陽能光熱利用、間歇性工業(yè)余熱利用、節(jié)能建筑平衡晝夜溫差和跨季節(jié)供熱、制冷以及一切具有間歇性、非穩(wěn)定性特性的熱源利用領(lǐng)域不可或缺。利用材料相變潛熱對熱能進(jìn)行存儲和釋放,熱量蓄存密度大,材料來源豐富,覆蓋溫度范圍廣且價格相對低廉,因此潛熱蓄熱是一種極具應(yīng)用潛力的蓄熱方式,但潛熱蓄熱方式并非完美,當(dāng)前可使用的相變材料導(dǎo)熱系數(shù)一般較低,限制了潛熱蓄熱的大規(guī)模應(yīng)用。本文以此為研究背景,采用泡沫金屬類多孔介質(zhì)及肋片對相變材料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行強(qiáng)化。泡沫金屬的孔隙率高、孔隙聯(lián)通率高,蓄、放熱過程不僅發(fā)生孔隙結(jié)構(gòu)與相變材料間的導(dǎo)熱和各材料自身的導(dǎo)熱,同時液相相變材料在聯(lián)通的孔隙內(nèi)會發(fā)生自然對流換熱,因此相變材料在該類多孔介質(zhì)中發(fā)生相變涉及多尺度、多相、多場驅(qū)動的耦合。該類問題的流動和傳熱過程較為復(fù)雜,需要進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)、理論分析和應(yīng)用探討才能使泡沫金屬這種強(qiáng)化手段在潛熱蓄熱領(lǐng)域得到有效地推廣和應(yīng)用。設(shè)計(jì)和搭建了復(fù)合相變材料真空制備實(shí)驗(yàn)臺及潛熱蓄、放熱實(shí)驗(yàn)臺。采用真空注入法,制備了填充率達(dá)96.7%的泡沫銅-石蠟相變復(fù)合材料。以管殼式相變蓄熱設(shè)備為研究目標(biāo),對純石蠟材料、泡沫銅-石蠟復(fù)合材料,肋片強(qiáng)化的復(fù)合材料三種測試樣本在不同載熱流體溫度和載熱流體流速下進(jìn)行了性能測試,詳細(xì)記錄相變材料相變過程的相界面位置和演變過程。結(jié)果表明：純石蠟樣本的固-液界面為漏斗形,由于自然對流的作用,熔化界面由上至下發(fā)展；肋片強(qiáng)化的復(fù)合材料樣本由于底部肋片的換熱強(qiáng)化作用,其固-液界面形狀和發(fā)展情況與純石蠟樣本相反；泡沫金屬-石蠟復(fù)合材料樣本的固-液界面形狀為錐形臺,其移動演變過程是由內(nèi)向外進(jìn)行；泡沫金屬可以有效的縮短熔化時間,相同運(yùn)行條件下,各測點(diǎn)達(dá)到完全熔化的時間均少于純石蠟條件的1/3；提升載熱流體的流速和溫度均能加快相變材料的熔化速度,但作用效果不同,載熱流體溫度對熔化速度的影響更為顯著。對有效導(dǎo)熱系數(shù)、滲透率、慣性阻力系數(shù)和孔隙對流換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行總結(jié)與評述,對比有效導(dǎo)熱系數(shù)、滲透率、慣性阻力系數(shù)和孔隙對流換熱系數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式,建立相對準(zhǔn)確的泡沫金屬強(qiáng)化相變材料潛熱蓄、放熱過程的流動和局部非熱平衡、熱平衡非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬模型,結(jié)果顯示：采用所選關(guān)聯(lián)式進(jìn)行設(shè)置和計(jì)算的非熱平衡模型和熱平衡模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均能較好吻合,比較而言,非熱平衡模型具有更高的計(jì)算準(zhǔn)確性,而熱平衡模型的計(jì)算量和計(jì)算時間成本較低。在建立準(zhǔn)確的蓄、放熱過程數(shù)值模型前提下,對肋片與泡沫金屬協(xié)同強(qiáng)化高溫潛熱設(shè)備蓄、放熱過程進(jìn)行模擬研究,建立了對稱簡化的三維物理和數(shù)學(xué)模型,對蓄、放熱過程固-液界面位置及內(nèi)部流場進(jìn)行分析,探討了泡沫金屬、肋片結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)對蓄放熱性能的影響,并在應(yīng)用層面上對“瘦長型”與“矮胖型”蓄熱單元進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。結(jié)果表明：肋片和泡沫金屬復(fù)合強(qiáng)化結(jié)構(gòu)可有效提高熔化和凝固速度,同時肋片上下表面不均勻的熱量分配,可拉近肋板兩側(cè)相變材料的熔化進(jìn)程,形成類似純導(dǎo)熱作用下固-液界面形狀；改變孔隙率,蓄、放熱溫度和肋間距對相變過程的影響顯著,改變孔密度和肋片厚度的強(qiáng)化作用微弱。泡沫金屬中的相變過程涉及液相相變材料的自然對流,材料內(nèi)部速度梯度場和溫度場的耦合協(xié)同能夠在一定程度上起到換熱強(qiáng)化作用,因此在不改變強(qiáng)化金屬用量的前提下,探討具有強(qiáng)化作用的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)具有重要應(yīng)用價值。在前述實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬基礎(chǔ)上,權(quán)衡泡沫金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)對相變蓄熱過程的影響大小,建立非均勻孔隙率泡沫金屬強(qiáng)化潛熱蓄、放熱模型并進(jìn)行數(shù)值模擬分析,與均勻孔隙率結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比,理論和量化分析非均勻孔隙結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化作用。結(jié)果顯示：非均勻孔隙結(jié)構(gòu)在蓄熱初期影響作用較小,在液相體積分?jǐn)?shù)較大時強(qiáng)化作用明顯,驗(yàn)證了通過改善自然對流速度場和溫度場的協(xié)同作用進(jìn)而強(qiáng)化潛熱蓄熱性能的推理；比較而言,自下至上逐漸增加孔隙率的孔隙結(jié)構(gòu)具有更佳的速度場和溫度梯度的協(xié)同效應(yīng),該種孔隙結(jié)構(gòu)較之均勻孔隙結(jié)構(gòu)最大可縮短完全熔化時間達(dá)13.8%。
【關(guān)鍵詞】：相變蓄熱 管殼式結(jié)構(gòu) 泡沫金屬 肋片 線性變化孔隙率
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB34;TK124
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-18
• 第1章 緒論18-34
• 1.1 課題背景及意義18-19
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-32
• 1.2.1 蓄熱技術(shù)分類19-21
• 1.2.2 潛熱蓄熱材料21-23
• 1.2.3 潛熱蓄熱換熱強(qiáng)化技術(shù)及方法23-27
• 1.2.4 泡沫金屬強(qiáng)化潛熱蓄熱技術(shù)的研究進(jìn)展27-32
• 1.3 論文主要研究內(nèi)容32-34
• 第2章 泡沫金屬強(qiáng)化潛熱蓄熱過程實(shí)驗(yàn)研究34-55
• 2.1 引言34
• 2.2 石蠟熱物性測量及泡沫金屬-石蠟復(fù)合材料制備34-37
• 2.2.1 石蠟熱物性測量34-35
• 2.2.2 泡沫金屬-石蠟復(fù)合材料制備35-37
• 2.3 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法37-40
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及設(shè)備37-40
• 2.3.2 實(shí)驗(yàn)方法40
• 2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論40-54
• 2.4.1 相變界面的演化進(jìn)程40-43
• 2.4.2 相變材料內(nèi)溫度分布43-46
• 2.4.3 載熱流體流速對相變過程的影響46-49
• 2.4.4 載熱流體溫度對相變過程的影響49-51
• 2.4.5 蓄熱過程換熱量的變化51-54
• 2.5 本章小結(jié)54-55
• 第3章 泡沫金屬強(qiáng)化相變材料蓄熱過程數(shù)值模擬方法55-71
• 3.1 引言55
• 3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃喕皵?shù)學(xué)方程55-57
• 3.3 參數(shù)分析57-67
• 3.3.1 有效導(dǎo)熱系數(shù)57-61
• 3.3.2 熱彌散導(dǎo)熱系數(shù)61
• 3.3.3 滲透率及慣性阻力系數(shù)61-66
• 3.3.4 孔隙對流換熱系數(shù)66-67
• 3.4 邊界條件67
• 3.5 數(shù)值模擬結(jié)果及驗(yàn)證67-70
• 3.6 本章小結(jié)70-71
• 第4章 肋片與泡沫金屬協(xié)同作用強(qiáng)化潛熱蓄熱過程71-89
• 4.1 引言71
• 4.2 物理數(shù)學(xué)模型71-74
• 4.2.1 物理模型71-72
• 4.2.2 數(shù)學(xué)模型72-74
• 4.3 結(jié)果及討論74-87
• 4.3.1 相界面位置及自然對流影響分析75-78
• 4.3.2 泡沫金屬孔密度和孔隙率對蓄熱過程的影響78-80
• 4.3.3 肋間距和肋片厚度對蓄熱過程的影響80-83
• 4.3.4 瑞利數(shù)對蓄熱過程的影響83-84
• 4.3.5 “矮胖型”單元與“瘦長型”單元的對比分析84-87
• 4.4 本章小結(jié)87-89
• 第5章 非均勻孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)化潛熱蓄熱過程89-108
• 5.1 引言89
• 5.2 多孔介質(zhì)非均勻強(qiáng)化換熱過程的作用機(jī)制分析89-90
• 5.3 物理和數(shù)學(xué)模型90-93
• 5.4 結(jié)果及討論93-106
• 5.4.1 相界面發(fā)展及線性變化孔隙率對相界面的影響分析93-98
• 5.4.2 線性變化孔隙率對速度場和溫度梯度場的協(xié)同性分析98-100
• 5.4.3 平均孔隙率的影響ε100-102
• 5.4.4 孔密度的影響102-104
• 5.4.5 變化孔隙結(jié)構(gòu)對凝固過程的影響104-106
• 5.5 本章小結(jié)106-108
• 第6章 結(jié)論與展望108-111
• 6.1 主要結(jié)論108-109
• 6.2 工作展望109-111
• 參考文獻(xiàn)111-121
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果121-122
• 攻讀博士學(xué)位期間參加的科研工作122-123
• 致謝123-124
• 作者簡介124

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