分形结构换热器中PCM熔化传热特性研究

摘要

近年来，基于相变材料（PCM）的储热技术广泛应用于建筑节能、燃料电池热控、电子设备冷却和暖通空调等领域。然而，由于大多数PCM的导热系数低，严重制约了相变储热技术在实际工程中的应用推广。考虑到易操作和成本低的优势，添加翅片强化固液相变传热在实际工程应用中最为普遍。然而，由于添加翅片削弱了储热容量的潜力，因而优化翅片的几何结构对于相变储热装置的性能提升具有重要的意义。 目前，国内外对相变储热装置几何结构优化的理论研究开展较少，而且传统换热装置的几何结构过于单一，亟需对其空间配置进行优化以提升相变储热的效率。为此，本文将分形几何拓展应用于固液相变强化传热，构建了十字分形多孔金属结构和雪花分形换热器，为固液相变换热器的效能提升提供了新思路。在对十字分形多孔金属与雪花分形换热器进行几何结构描述的基础上，建立了换热器内PCM熔化过程的理论模型并进行数值研究。定量分析了固体骨架的结构特性和工况参数对固液相变传热特性的影响机理，分别建立了多孔金属结构参数（孔隙率、分形维数）和雪花分形肋片的指数α以及工况参数与固液相变传热性能之间的内在联系，从而为固液相变换热装置的优化设计提供了数据支撑。最后，设计并搭建了雪花分形换热器内固液相变传热特性研究的可视化实验平台，实时观测了雪花分形换热器中PCM在熔化过程中两相界面的形貌演变，测量并分析了雪花分形换热器轴向和径向的动态温度特性，并与传统的直肋式换热器进行了对比。定量分析了自然对流和工况参数对固液相变传热特性的影响机理，进一步揭示了雪花分形结构对固液相变传热过程的强化作用。

目录

声明

主要符号表

第一章 绪 论

1.1 问题的提出及研究的意义

1.2 相变储能材料

1.3 固液相变强化传热研究现状

1.4 分形结构强化传热研究现状

1.5 本文主要研究的内容

1.6 本章小结

第二章 十字分形结构多孔金属中熔化传热的数值研究

2.1十字分形结构多孔金属设计

2.2模型建立与数值求解方法

2.3模拟结果分析

2.4本章小结

第三章 雪花分形换热器中PCM熔化传热的数值研究

3.1 雪花分形结构换热器的设计

3.2 模型建立与数值求解方法

3.3 模拟结果分析

3.4 本章小结

第四章 雪花分形换热器中PCM熔化传热的实验研究

4.1实验系统与研究方法

4.2实验结果分析与讨论

4.3本章小结

第五章 雪花分形结构换热器与直肋式换热器的熔化传热对比实验研究

5.1直肋式换热器的相关介绍

5.2实验结果对比分析

5.3本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2创新点

6.3展望

参考文献

图 表 目 录

致谢

作者简历