论文部分内容阅读
能源是人类发展的基础物质条件,严峻的能源形势要求开展节能减排和开发新能源。当今能源危机和环境污染已成为社会发展面临的两大难题,而储能技术能够将化工生产及许多工业过程中排放的不连续、不稳定的能量储存起来,可缓解能源供给与需求失配的矛盾,是节能减排的有效途径之一。相变储能因其储能密度大、蓄热温差变化小、容易控制等优点而成为最有发展前途的蓄热技术之一。与此同时,相变储能高效蓄热的实现离不开蓄热性能优良的相变材料和换热性能良好的储能装置。本文研究了一种板片式相变储能换热器,建立了其换热过程的数学模型,并运用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)理论,数值模拟了该结构换热器在相同工况下不同几何参数对其换热性能的影响。经过对比分析得出一个满足给定工况所需性能的最优模型,并以该模型为参考加工制作了用于实验研究的换热器,搭建了实验平台进行实验研究。研究结果对相变储能换热器的设计与优化具有一定指导作用。具体研究内容及结论如下:1、通过查阅相关文献,并结合本文工况选择了 64号石蜡作为本课题研究的相变材料,该相变材料相变温度为64℃,传热各向同性,热性能稳定,无毒无腐蚀性,且不存在过冷,适合作为本课题研究的相变材料;2、设计了一种板片式结构的换热器,并考虑到影响换热器性能的几何参数,利用控制变量法,设计了 9种不同几何尺寸的换热器模型;并用Fluent软件,分别对9个换热器模型进行了数值模拟。研究表明,在本文研究的几何参数范围内,在换热流体(Heat Transfer Fluid,HTF)层板间距 dHTF不变的情况下,相变材料(Phase Change Material,PCM)层板间距dPCM越大换热器可以储存越多的热能,在放能的时候能得到更稳定的热能输出,但是储能速率会比较慢,而dPCM越小储能速率越快;在PCM层板间距dPCM不变的情况下,HTF层板间距dHTF越大换热器储能的速率越快,但是放能时不容易得到稳定的热能输出,而dHTF越小则热能输出越稳定。综合考虑储能速率和放能的稳定性,本文选择的最优模型为M4(dHTF=10,dPCM=15),该模型在t=12h时PCM完全熔化,放能时可以持续约30min稳定输出61℃左右的热水,并以此模型为参考加工制作了用于实验研究的换热器。3、加工制作了实验装置,并搭建了实验平台。储能实验中,PCM熔化的情况与数值模拟的情况基本吻合,完成储能所需时间与数值模拟结果也比较接近;放能实验中,HTF出口温度变化情况与数值模拟情况也基本一致。通过分析出口流体温度随时间的变化趋势发现,储/放能的三个阶段表现明显,并且与数值模拟时的变化趋势相吻合。实验中,出口热水平均温度为55℃,数值模拟的出口热水平均温度为61℃,误差为9.84%,能够满足生活用水条件。