相变蓄热胶囊及其堆积蓄热特性的数值研究

摘要

随着社会和经济的迅速发展及不可再生能源的日益枯竭，人类社会的能源供应日渐趋紧。而太阳能、风能等一些可再生能源无法进行稳定的能源供给，工业过程中还存在着大量的工业余热。研究表明蓄热系统的应用可提高可再生能源的利用率，也可显著提高工业过程中余热利用的效率。相变蓄热胶囊由于可有效解决相变材料的腐蚀性、泄露等问题，使其成为了理想的蓄热材料。因此，对基于相变蓄热胶囊的相变蓄热系统进行研究具有很强的实际意义。 本文分别对单个带有空穴的相变蓄热胶囊的蓄热过程、相变胶囊无序堆积蓄热特性及相变胶囊有序堆积蓄热特性进行了研究，以此对基于相变蓄热胶囊的蓄热系统进行系统的研究。具体对蓄热胶囊在内部自然对流与换热流体流动状态双重影响下的蓄热过程进行了研究；由于蓄热胶囊处于无序状态的模型难以建立，本课题创新性地利用EDEM软件生成胶囊的无序堆积状态，再用其生成的蓄热胶囊圆心坐标数组建立稳定的蓄热胶囊三维无序堆积模型，如此便可得到蓄热胶囊较为真实的无序堆积状态；由于蓄热胶囊无序堆积时换热流体通道具有随机性，温度场的不均匀性较严重，对此本文又建立了蓄热胶囊处于有序堆积状态时的蓄热系统模型，以此研究有序堆积蓄热床的蓄热性能。应用FLUENT模拟计算软件对建立的蓄热模型的蓄热过程进行模拟计算分析，得到了蓄热系统能量效率、系统温度场均匀性及蓄热量等蓄热系统的性能指标。 通过研究发现：在重力条件下胶囊内部蓄热材料在蓄热过程的自然对流作用有利于蓄热过程的进行；而换热流体的相对流动方向蓄热过程影响很小。在无序堆积条件下系统内部温度分布的均匀性很差；随着胶囊粒径的减小，系统的压降分别增加了1.58倍和4.08倍，温度场的均匀性及系统的蓄热效率会得到提高，最大温差分别是最大粒径时的62%、28%，瞬时能量效率分别提高了20个百分点、40个百分点，但蓄热总量会降低；换热流体的流速对系统的压降及蓄热系统的能量效率影响也很大。当蓄热胶囊有序堆积时蓄热过程中系统的温度场的均匀性明显优于无序堆积；在系统的能量效率与蓄热总量上蓄热胶囊顺排堆积对插排堆积及无序堆积都具有明显优势。通过对相变蓄热胶囊及其堆积蓄热特性较为系统的研究，得到了一些新的结论成果，对相变蓄热胶囊的后续改进研究及实际工程应用具有一定的参考价值。

目录

主要符号表

第1章 绪 论

1.1 本研究课题的来源、背景及其意义

1.2 国内外与课题相关研究领域的研究现状

1.3 本课题创新点及研究内容

第2章 相变蓄热的求解方法及相变材料的选择

2.1 相变传热问题的特点

2.2 相变传热的数学模型

2.3 相变传热的求解方法

2.4 利用FLUENT模拟相变问题的基本理论

2.5 相变材料的选择

2.6 本章小结

第3章 带有空穴的相变胶囊蓄热过程分析

3.1 带有空穴的相变胶囊模型建立

3.2 模型论证

3.3 模拟结果及分析

3.4 本章小结

第4章 相变胶囊无序堆积蓄热特性分析

4.1 相变胶囊无序堆积蓄热系统模型建立

4.2 模型论证

4.3 模拟结果及分析

4.4 本章小结

第5章 相变胶囊有序堆积蓄热特性分析

5.1 相变胶囊有序堆积蓄热系统模型建立

5.2 模型论证

5.3 模拟结果及分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

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致谢