為解決因太陽能的不穩(wěn)定性等因素導致的太陽能蓄熱水箱儲熱/放熱能力的不保證性問題,提出采用中低溫有機相變材料58號石蠟作為相變蓄熱材料的圓臺式太陽能相變蓄熱水箱。采用計算流體力學（computational fluid dynamics,CFD）數(shù)值模擬的計算方法,在保證總蓄水體積（以100 L為例）不變的情況下,對水箱中不同內(nèi)膽傾斜角度分別為75°、80°、85°、90°、95°、100°、105°的放熱過程進行數(shù)值模擬,綜合對比和分析水箱放熱性能模擬結(jié)果,得到當傾斜角度為105°時的相變蓄熱構(gòu)件放熱性能最佳,可為太陽能相變蓄熱水箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。 

【文章來源】：太陽能學報. 2020,41(02)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

放熱初期3種裝置相變過程中液相率隨時間的變化

在不同時刻、不同傾斜角度條件下，相變材料放能過程中水箱內(nèi)液相率變化如圖5所示（縱軸Y代表相變水箱高度，橫軸X均代表相變水箱的直徑）。對于同一相變蓄熱水箱在蓄熱過程中的理論分析：在水箱半徑方向上，相變材料區(qū)中的石蠟從水箱內(nèi)膽壁面開始沿徑向向外側(cè)逐漸凝固；在水箱軸向方向上，由于受到熱浮升力的作用，上層凝固較慢，下層凝固較快。由圖5可知，在同一傾斜角度條件下，隨著相變材料放能過程的持續(xù)，相變材料區(qū)液相率逐漸降低。在同一放能時間條件下，隨著水箱內(nèi)膽傾斜角度的增大，相變材料區(qū)液相率逐漸降低。圖5h所示，當水箱內(nèi)膽傾斜角度為75°時，在相變材料區(qū)的底部靠近水箱外側(cè)區(qū)域的石蠟較難實現(xiàn)凝固放熱，該區(qū)域被稱為放熱“死區(qū)”。由圖5g可知，在水箱內(nèi)膽傾斜角度為105°時，由于熱浮升力作用使放熱“死區(qū)”現(xiàn)象大大減弱。在不同水箱內(nèi)膽傾斜角度條件下，綜合分析相變材料在放能過程中水箱內(nèi)生活用水溫度和石蠟液相率的變化，得出傾斜角為105°裝置放熱效率最高，豎壁次之，傾斜角為75°裝置放熱效率最低。

由于本文模型與文獻[1]中實驗模型具有較高的相似性，為確保本文中模擬結(jié)果的準確性，筆者對文獻[1]中的楔形蓄熱構(gòu)件的蓄熱過程進行模擬驗證，選取蓄熱工況：熱源溫度為40℃，相變材料初始溫度為19℃。文獻[1]中熱電偶測點布置如圖2a與圖2b所示，圖2a中左側(cè)壁面代表加熱壁面，本模擬中設為定壁溫壁面，其余壁面為絕熱壁面。本文模擬驗證選取溫度觀測點Th、T12、T56、T78的逐時溫度為驗證參數(shù)，Th為加熱壁面溫度，模擬驗證結(jié)果如圖2c所示。由圖2c可看出在同一蓄熱時刻，對于溫度觀測點T12和Th來說，模擬值與實驗值重合度較高，由此說明對于此測點范圍內(nèi)模擬值準確度較高。在同一蓄熱時刻，對于觀測點T56來說，模擬值低于實驗測得值，但最大相對誤差僅為4.75%，在誤差合理范圍內(nèi)。在同一蓄熱時刻，對于觀測點T78來說，在蓄熱時間小于200 min時，模擬值小于實驗值，最大誤差為9.02%，誤差量可以接受；在蓄熱時間大于200 min時，模擬值大于實驗值，最大誤差為7.57%，在誤差合理范圍內(nèi)。由以上分析可得，本文模擬結(jié)果與文獻[1]中實驗結(jié)果之間的誤差在合理范圍內(nèi)，均小于10%。故本文模擬方法選取得當。3.2 模擬結(jié)果分析

【參考文獻】：
期刊論文
[1]相變儲能單元融化過程的傳熱強化[J]. 袁艷平,吉洪湖,杜雁霞.  南京航空航天大學學報. 2008(02)
[2]組合相變儲熱材料應用于太陽能供暖系統(tǒng)[J]. 王永川,陳光明,洪峰,張海峰.  熱力發(fā)電. 2004(02)
[3]板式相變儲換熱器的儲換熱性能實驗研究[J]. 江邑,張寅平,徐繼軍,江億,康艷兵.  太陽能學報. 2000(04)

博士論文
[1]基于相變材料熔化特性的蓄熱裝置強化傳熱研究[D]. 胡志培.西安建筑科技大學 2015

碩士論文
[1]基于太陽能利用的蓄熱水箱設計優(yōu)化初探[D]. 毛晶晶.西安建筑科技大學 2016
[2]太陽能—相變水箱蓄熱系統(tǒng)的運行特性研究[D]. 劉程.西南交通大學 2014
[3]石蠟類相變材料傳熱性能研究[D]. 鄒復炳.上海海事大學 2006



本文編號：3539157