相变蓄热单元蓄/放热过程的数值模拟研究

建立同心套管相变蓄热单元的二维模型,并与文献对比验证,完成网格无关性和时间步长独立性验证后,数值模拟分析模型结构和流体入口速度对蓄热特性的影响,探究导热系数和相变材料的熔点对放热特性的影响。研究结果表明:采用波节管代替光管可优化蓄热单元的蓄热特性,且3#波节管的换热性能最优,相比于光管,蓄热时间可缩短39%;其他条件不变时,增加传热流体(heat transfer fluid,HTF)的导热系数,蓄热单元的放热效率先增后降,存在最佳值;当相变材料(phase change materials,PCM)的导热系数大于HTF时,继续增加PCM的导热系数会使放热效率下降;随着PCM熔点的增加,有效放热时间先增后减,在熔点为603 K时,放热效率达到最大值0.82。     

蓄能互联热泵系统相变装置熔化与凝固过程特性分析

介绍了一种新型的蓄能互联热泵系统。利用数值模拟的方法对填充石蜡C17的球型蓄热单元的熔化与凝固过程进行研究,分析了球壁温度、相变单元尺寸和相变材料初始温度三种影响因素对熔化过程和球壁温度对凝固过程的影响。通过对两个过程对比发现相变单元尺寸对相变过程影响最大,在相同温差条件下完全熔化时间少于完全凝固时间,熔化过程中始终存在的石蜡-壁面与液相石蜡-固相石蜡之间的对流换热过程增加了熔化速率。     

相变蓄热装置内温度场的模拟与实验研究

对螺旋盘管相变蓄热装置性能和相变材料(PCM)的传热特性开展模拟和实验研究,建立相变蓄热装置物理和数学模型,对蓄热温度场进行了数值模拟和实验测试。结果表明:自然对流换热对PCM的熔化过程影响很大,当考虑自然对流时,相变蓄热速率加快,相变分层现象明显;实验实测温度与模拟温度相近,说明所建立的模型适用于相变装置内部温度场的模拟。     

相变蓄热装置内部温度场的理论与实验研究

对螺旋盘管相变蓄热装置性能和相变材料 (PCM)的传热特性开展理论和试验研究,建立相变蓄热装置物理和数学模型,对蓄热温度场进行了数值模拟和实验测试。结果表明 ：自然对流换热对PCM的熔化过程影响很大,当考虑自然对流时,相变蓄热速率加快,相变分层现象明显;实验实测温度与模拟温度相近,说明所建立的模型适用于相变装置内部温度场的模拟。     

基于LBM的泡沫金属与翅片相变储能系统性能对比分析

为了研究翅片和泡沫金属铜对相变储能系统性能的影响,使用四参数随机生长法（QSGS）构建了孔隙密度（PPI）分别为20PPI、30PPI的泡沫铜复合相变材料模型,并构建了等铜质量的翅片相变材料模型。在此基础上,采用格子玻尔兹曼（LBM）数值模拟方法对相变材料（PCM）的储/放热过程进行了数值模拟,基于努塞尔数、液相率、PCM流动速度、PCM熔化/凝固时间对比分析了添加翅片以及添加泡沫金属结构对相变材料换热性能的影响。结果表明,在储热过程中,由于泡沫金属的存在会抑制熔化过程中对流换热的发展,双翅片结构的努塞尔数高于泡沫金属结构,熔化时间更短,相比于20PPI、30PPI泡沫铜复合相变材料分别缩短了28.55%、17.5%;在放热过程中,泡沫金属的存在会增加热传导面积,泡沫金属结构的凝固速度高于翅片结构,30PPI泡沫金属结构的凝固时间相比于翅片、20PPI泡沫铜复合相变材料分别缩短了65.80%、20.24%。综合考虑储放热两个过程,30PPI泡沫金属结构的总储放热时间最短,相比于翅片、20PPI泡沫铜复合相变材料分别缩短了27.81%、15.32%。在耗费相同金属材料的条件下,采用泡沫结...     

方形槽内水平圆管外相变蓄热过程的数值模拟

对以水为热载体,方形槽内水平圆管外石蜡的相变蓄热过程进行了数值模拟.通过合理的分析与假设,建立数学模型及其定解条件,并利用实验数据进行验证.引入无量纲管壁温度Ste数和无量纲相变材料初温G数,分析了Ste和G数对相变材料熔化、凝固过程的影响,给出了不同Ste教的熔化过程固液相图,结果表明:Ste数对熔化和凝固过程有显著影响,与S=0.098时的熔化时间相比,Ste =0.1875时熔化时间将会缩短将近1/2,而Ste =0.277时比Ste=0.1875时熔化时间缩短了1/3.与Ste=0.0804时的熔化时间相比,Ste =0.170时凝固时间缩短1/2,而Ste =0.259时比Ste =0.170时凝固时间缩短了1/3.G数对相变过程的影响比较小,凝固时甚至可以忽略不计.     

方管与圆管中石蜡蓄热的对比研究

针对不同形状管道对蓄热状况影响不同,建立了圆形管道与方形管道的石蜡蓄热模型,运用FLUENT软件对其熔化过程进行了仿真,讨论了自然对流及石蜡厚度对石蜡蓄热的影响。计算结果表明：熔化初期,方形装置内的固液界面呈“脚丫”状,而圆形装置内的固液界面近似呈椭圆状。自然对流对熔化结果影响较大,对流的存在加速了石蜡的熔化;在自然对流的作用下石蜡的熔化速率先快后慢,而熔化总时间与石蜡厚度成正相关。在蓄热单元面积保持不变的情况下,当内管周长相等时,方管内石蜡熔化总时间大于圆管内石蜡熔化总时间;当内管面积相同时,方管内石蜡熔化总时间小于圆管内石蜡熔化总时间。     

笼屉式水箱中膨胀石墨对石蜡熔化和凝固过程的影响

为研究膨胀石墨对石蜡熔化和凝固性能的影响,对膨胀石墨石蜡复合相变蓄热材料的熔化和凝固过程进行数值分析,并与纯石蜡相变蓄热材料的熔化和凝固过程进行对比.且分析不同含量的膨胀石墨及不同壁面温度对石蜡熔化和凝固过程的影响,结果表明:石蜡中添加膨胀石墨能明显缩短石蜡的熔化和凝固时间,且熔化和凝固时间都随着膨胀石墨含量的增加而减少;在同种工况下,与纯石蜡对比,添加1％、2％、5％膨胀石墨的复合石蜡熔化时间分别减少2.14、2.81、9.74倍;凝固时间则分别减少0.77、1.05、3.76倍;壁面温度对复合石蜡的熔化过程影响显著,而对凝固过程影响程度不佳;其中在初始温度相同的条件下,与壁面温度为327 K的工况下5％EG复合石蜡全部熔化的时间对比,壁面温度为332 K及337 K的工况下5％EG复合石蜡全部熔化的时间分别缩短了0.83、1.58倍.     

新型平底型相变蓄热器蓄热性能的数值模拟北大核心CSCD

为了解决相变材料低热导率所引起的换热效果差的问题,向相变材料中添加高导热的金属泡沫材料以加速固液相变过程、提升整体蓄热效率。然而,浮升力导致高温流体堆积在蓄热单元顶部,蓄热单元底部的相变材料较难熔化。为了改善底部难熔的现象,本工作在控制相变材料容积不变的前提下,以一定的比例切除蓄热单元底部,形成新型平底型相变蓄热器。通过数值模拟的方法,对蓄热单元熔化过程中的熔化率、蓄热量、熔化相界面、速度分布和温度分布进行分析。结果表明,新型平底型相变蓄热器能够有效减少底部难熔区域,从而提高蓄热器整体的蓄热效率。其中底部横切比为0.7时,完全熔化时间最短,比圆管缩短了18.12%。通过模拟结果的对比分析可以发现,去除底部相变材料减小了热源到蓄热器底部(难熔区)的距离,增强了熔化末期底部难熔区域的换热。在熔化末期,横切比为0.7的蓄热单元,在相界面处的流速比圆管的提高了2.10倍。说明底部横切强化了熔化末期蓄热单元底部的传热,减小了蓄热单元底部的低温区域,从而推动了整体的熔化进程。     

新型板式相变单元蓄热特性的理论及实验研究

在太阳能储能装置中，保持相变储能单元组配灵活性不受影响的同时，为了增强板式相变单元的蓄热性能，对普通的矩形板式单元进行结构优化，设计了新型的梯形体单元，并利用理论分析得到了最优梯形体结构的理论解。将理论分析结果进行实验验证，研究表明：设计出的新型梯形体板式单元不仅能充分利用相变材料本身的熔化特性提升储能装置的蓄热性能，还能提高空间利用率。在研究范围内，换热流体流速的增大和温度的增加可有效地提高单元的换热效率，其中，流速为0.12 m/s时最优梯形体单元比之矩形单元的蓄热性能提升最明显。     

高温耐火砖蓄热孔道形状及排布研究

以氧化镁耐火砖作为蓄热单元,采用高温氮气加热,研究计算单个耐火砖的蓄热特性。在矩形孔道耐火砖顺排情况下,分析比较不同矩形孔道宽高比下,氮气加热2h后末端最高平均温度所对应的耐火砖截面宽高比。当矩形孔道宽高比小于0.8时,矩形孔道宽高比对应的耐火砖截面宽高比呈线性关系且斜率为0.62,截距为0.5;当矩形孔道宽高比为0.8～1时,其对应的耐火砖截面宽高比为1。在矩形孔道宽高比合理的情况下各点压力损失相差较小,中心线速度与耐火砖末端平均温度成反比。在椭圆形孔道交叉排布情况下,椭圆形孔道的长短半轴比值越大,耐火砖升温越快。椭圆形孔道在y轴方向长度大于x轴方向长度的情况下,通过六边形宽度和侧边高度的合理配置,其升温特性优于椭圆形孔道x轴方向长度大于y轴方向长度。椭圆形孔道的压力损失变化较小,且比矩形孔道耐火砖的压力损失小。矩形孔道耐火砖与椭圆形孔道耐火砖相比,升温更快,中心线速度更高,但压力损失更大。     

碟式聚光斯特林系统地面混凝土桩储热研究

为了解决碟式太阳能斯特林发电系统的储能问题,建立1 kW β型碟式斯特林发动机储能的地上混凝土储热单元,采用计算流体力学方法,针对熔融盐流速v、储热时间t、换热管管径D、熔融盐初始温度T对混凝土桩蓄热量Q和对流换热系数h的影响进行双因素分析。结果表明：v与Q呈线性关系,但v的增大导致接触时间减少而不能充分换热,最佳流速为3 m/s;D越大达到相同Q所需时间就越短,但大管径会导致混凝土体积降低、蓄热量减少,管径为25 mm最佳;随着v的增加达到相同h所需温度越低;h随D的增大而减小,D越大达到相同h所需温度越高。通过优化管型,采用S型换热管,使得对流换热系数、蓄热量、蓄热效率都较直型换热管有所提高。     

圆柱形壳管式相变蓄热单元的蓄热特性研究

首先提出适合该系统的圆柱形壳管式相变材料(Phase Change Material, PCM)蓄热单元的结构形式;然后基于焓法建立了蓄热单元的数学模型,并利用文献结果对其进行了验证;以CaCl2·6H2O为相变材料,研究了蓄热单元的蓄热特性以及换热流体温度的变化规律,结果表明流体温度与流速都是影响其蓄热特性的重要因素,为季节性相变蓄能装置开发奠定了理论基础.     

夏季间歇运行工况下相变温度对相变回填地埋管换热器传热性能的影响

为探究相变温度对相变材料回填地埋管换热器传热性能的影响,建立管内流体换热、回填区域相变换热及土壤换热的三维耦合传热数值模型,利用焓-多孔介质模型对相变区域相变问题进行处理,研究夏季间歇运行工况下不同相变温度回填材料对埋管换热器传热性能的影响。结果表明:添加PCM,可有效提高换热量,短期内缓解埋管周围热积聚,利用相变温度18℃的PCM回填,单位井深换热量至少比普通材料回填提高49.54%;在间歇运行初期,换热量随相变温度的升高逐渐减小,低相变温度的PCM可明显改善埋管换热量,但随着时间的进行,较高相变温度PCM回填对换热器换热量的改善效果优于前期低相变温度。此外,在运行期间,不同相变温度的PCM表现出不同的熔化、凝固特性,当PCM的熔化、凝固过程交替进行时,可减缓土壤温度在运行期间内波动幅度。     

管壳式相变蓄热器热性能分析及结构优化

针对管壳式相变蓄热器换热速率较慢的问题,建立多管束大空间相变蓄热器模型数值模拟的研究换热管排列方式及翅片参数对换热效果的影响。通过观察温度和速度场、固液相界面、Nu及液相分数与时间的关系,分析蓄/放热传热过程。研究结果表明：采用正三角排列可增强换热管间热扰的影响,提高相变材料(phase change material, PCM)熔化速率;蓄热过程中传热以自然对流为主,放热过程中传热以导热为主;合理调整不同位置换热管节距,可改善蓄热器温度分布均匀性;适当增加翅片数量及高度有利于提高PCM换热速率,蓄热器最佳翅片数量为8组,高度为25 mm。     

槽式太阳能集热与相变蓄热耦合模型(Ⅱ):性能优化

在采用两级组合相变蓄热材料的基础上,利用已建立的槽式太阳能集热单元和蓄热单元的1-2维混合模型,对组合相变材料蓄热性能进行优化研究。研究结果表明,受所选相变材料热物性的影响,随PCM1比例增大,蓄热速率减慢,总蓄热量增加;随传热流体质量流量增大,相变材料完全融化时间缩短,当质量流量大于0.5 kg/s后,质量流量对蓄热性能的影响减小;随相变材料初始温度升高,总蓄热量减小,熔化时间和达到最大蓄热量时间基本不变,对蓄热性能影响不大。     

用于储存太阳能的相变蓄热器蓄热性能研究

利用计算流体力学软件Fluent的凝固/熔化模型,模拟了用于储存太阳能的两种相变蓄热器的蓄热过程,得到了蓄热过程中相变区的温度云图,分析了两种蓄热器的蓄热能力和传热方式。研究结果表明,合理增加内管数量可以提高相变过程中的对流换热强度和蓄热能力。     

高温熔盐相变蓄热材料

高温蓄热技术是太阳能热动力发电系统的关键技术之一,通常利用相变材料(PCM)固液相变时的熔化潜热来蓄热。在轨道的日照期,聚能器将截取的太阳能聚集到吸热器圆柱形腔内,被吸收转化成热能,其中一部分热能传递给循环工质以驱动热机发电,其余的热能被封装在单元换热管上多个小容器内的PCM吸收储存起来,此时PCM部分或全部变为液态。在轨道的阴影期,小容器内的PCM部分或全部变为固态,储存的能量被释放出来,使出口的循环工质温度仍能维持在循环所要求的最低峰值温度上。保证空间站处于阴影期时热机仍能连续工作,保证连续供电。太阳能利用中…     

管壳式换热器蓄热单元数值模拟与优化

相变材料导热系数低,导致相变蓄热装置无法快速地进行热量储存和释放,文中建立了翅片管和光管式相变蓄热单元的三维计算模型,采用数值模拟方法,从蓄热速率、蓄热量以及温度场等方面比较分析了翅片管和光管结构对储热性能的影响。结果表明:在光管外壁添加翅片可以缩短相变材料完全熔化以及整个蓄/放热过程所需时间;与采用光管结构相比,采用翅片换热管时,完全熔化时间缩短32%,完全放热时间缩短14.5%。可见,在一定条件下添加翅片有助于提高蓄热体的蓄放热性能,所得结论对实际工程中相变蓄热系统的设计和优化具有一定的参考价值。     

结构参数对电厂翅片管散热器动态特性的影响

散热器经常处于变化的工作条件中,研究散热器的动态特性有助于改善间接空冷系统的安全和经济运行,而散热器的结构参数会影响其动态特性。根据能量守恒建立了散热器空气、管壁和循环水的热平衡偏微分方程,采用改进欧拉法对偏微分方程组进行求解。以迎面风速阶跃变化为典型工况,研究了换热面积、换热系数和工质体积对散热器动态特性的影响。结果如下:当空气侧换热面积增加时,散热器换热量增大,两个稳态之间的空气出口温度差值不变,循环水出口温度差值增加,空气侧响应时间增加,循环水侧响应时间不变。当循环水侧换热面积增加时,散热器换热量增大,两个稳态之间的空气和循环水出口温度差值不变,空气侧和循环水侧的响应时间也不变。换热系数变化时,散热器动态过程的变化规律与换热面积变化时类似。空气侧工质体积变化对散热器动态特性没有影响。循环水侧工质体积增大会使得动态响应时间变长。