高效热泵热水器储能系统的实验研究和数值模拟

摘要

本文以高效热泵热水器(H-EHPWH)储能系统为研究对象,进行了数值模拟和实验研究。热泵技术以其节能和环保的优势在很多领域得到了广泛的应用,其在生活热水上的应用研究也越来越受到重视,而与储能技术进一步结合将有更大的节能空间和应用前景,探索研究高效储能系统有重大意义。本文针对热泵热水器设计加工了一种新型储能装置,首次将板翅式结构用于热泵热水器储能系统中,通过计算显示比以往的管翅式结构更具有优势,对其储能效果进行了研究。 本课题研究的主要内容包括以下几个方面： (1)根据高效热泵热水器的工作原理及相变储能材料(PCM)的遴选原则,选取制备合适的高效相变储能材料(H-EPCM)。对H-EPCM的热物性进行了实验研究,利用高速摄像仪和红外热像仪等先进测量设备对其熔化过程进行了实时在线拍摄监测,直观可视地记录了整个过程。同时对竖直管道内H-EPCM的熔化蓄热进行了实验,研究了在不同加热温度下H-EPCM的熔化储能规律。 (2)根据设计的高效热泵热水器储能系统建立相应的物理模型和数学模型,利用Fluent6.2软件对储能系统储能情况进行了二维、非稳态模拟,得到了储能系统内H-EPCM熔化储能过程中的温度分布及相界面移动情况,结果表明,靠近加热板处的H-EPCM化较快,远离加热板处的熔化较为缓慢,并且在整个熔化过程中,温度场中的等温线和相界面移动始终是平行的,未发生弯曲偏移,这是由于翅片间距较小,在该过程中可以忽略自然对流的影响。这为实验和以后进一步优化储能系统设计提供了指导和基础。 (3)搭建了高效热泵热水器储能系统性能测试实验台,根据模拟结果合理布置热电偶,对储能系统内部温度分布进行实验测试。在实验过程中,分别利用水和H-EPCM作为储能材料进行了储能实验研究,结果表明利用H-EPCM的潜热进行储能比利用水的显热储能时储能密度高得多。并将H-EPCM熔化储能时的温度变化与模拟结果进行了比较分析,结果表明两者是吻合的,具有一致的变化趋势,可以利用模拟结果来指导和优化实验。最后,对储能系统的出口水温进行了测试研究,结果表明在同样的水温降下,水流量越大,放热持续时间越短,即水流量为400L/h时,水温下降最快,放热持续时间最短,而水流量为200L/h时,水温下降最慢,放热持续时间最长,而水流量为300L/h时则处于两者之间。本文将板翅式结构用于高效热泵热水器的储能系统,较以往的管翅式结构来说,是一种新的尝试,对于以后进一步研究热泵热水器的储能结构有一定的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要物理量名称及符号表

声明

第一章绪论

1.1前言

1.2热泵技术

1.2.1热泵技术简介

1.2.2热泵技术的发展及应用

1.3热水器现状

1.3.1热水器的分类及特点

1.3.2热泵热水器的研究进展

1.4储能技术及储能材料简介

1.4.1储能技术简介及其应用

1.4.2储能材料的分类

1.5本课题主要研究内容及课题来源

第二章高效热泵热水器储能系统分析

2.1引言

2.2高效热泵热水器的工作原理

2.3高效热泵热水器储能系统结构分析

2.3.1储能系统结构分析

2.3.2储能系统特点

2.3.3板翅式储能装置与管翅式储能装置的比较分析

2.4高效热泵热水器储能系统热力学分析

2.5本章小结

第三章相变储能材料实验研究

3.1引言

3.2相变储能材料的分类及性能

3.2.1无机类相变储能材料

3.2.2有机类相变储能材料

3.2.3复合相变储能材料

3.2.4相变储能材料的强化传热

3.3相变储能材料的选择及实验研究

3.3.1相变储能材料热物性研究方法

3.3.2相变储能材料的选择

3.3.3 H-EPCM相变储能性能实验研究

3.4本章小结

第四章高效热泵热水器储能系统数值模拟

4.1引言

4.2 Fluent简介及其模拟相变问题基本知识

4.2.1 Fluent简介

4.2.2 Fluent凝固-熔化模型

4.3物理模型和数学模型的建立

4.3.1物理模型的建立

4.3.2数学模型的建立

4.4计算参数的确定

4.4.1网格的划分

4.4.2松弛因子的选择

4.4.3热物性参数的选择

4.5加热熔化过程数值模拟结果分析

4.6本章小结

第五章高效热泵热水器储能系统实验研究

5.1引言

5.2实验系统

5.2.1相变储能系统

5.2.2辅助系统

5.2.3热电偶布置及温度测量

5.2.4水流量测量

5.2.5数据采集

5.3实验步骤

5.3.1以水作为储能材料

5.3.2以H-EPCM作为储能材料

5.4实验台的搭建及调试

5.4.1实验台的搭建

5.4.2热电偶的标定

5.5实验误差分析

5.5.1温度测量误差

5.5.2水流量测量误差

5.5.3其它环节误差

5.6结果分析

5.6.1储能系统储能温度场分布

5.6.2储能系统出口水温变化

5.7本章小结

第六章结论与展望

6.1主要结论

6.2本文特色与创新

6.3课题展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢