肋片式套管蓄冰装置蓄冰性能的研究

摘要

冰蓄冷是利用相变材料在用电低谷时将电能转换为冷量存储起来而在用电高峰时融化供冷的技术，具有降低制冷设备装机容量、系统运行稳定、降低城市用电峰谷差异的优点，成为了当前节能减排的重要技术手段，进而受到了国内外研究者的广泛关注。在冰蓄冷系统中，蓄冰装置的蓄冰/融冰性能是影响整个冰蓄冷系统工作效率的关键所在，而传统蓄冰装置通常以通有冷媒的阵列光管作为蓄冰单元，其蓄冰热阻会随着冰层的增厚而显著增加，从而导致蓄冰性能大幅降低，这严重限制了冰蓄冷技术的推广应用。值得注意的是，近些年来发展起来的封闭型肋片式套管蓄冰装置借助冷媒管外的高导热金属肋片来提升蓄冰过程中冷量的径向扩散效率，具有蓄冰性能好、可扩展性强、灵活性高等优点，已逐渐成为冰蓄冷装置的研究热点。因此，对封闭型肋片式套管蓄冰装置的蓄冰过程开展理论与实验研究，将为封闭型肋片式套管蓄冰装置的设计优化及其蓄冰性能强化方法的研发提供理论基础和关键技术支撑。
　　当前，针对冷媒管外耦合肋片强化蓄冰性能的研究已经取得一定进展，但自然对流对蓄冰传热性能的影响机制尚未得到充分揭示，并且不同肋参数所导致的蓄冰效能差异仍未被完整认识。再者，封闭型肋片式套管蓄冰装置的蓄冰性能强化方法还亟待发展。为此，本文基于enthalpy-porosity方法建立了肋片式套管蓄冰装置蓄冰过程的二维非稳态理论模型并进行了数值模拟，详细分析了蓄冰过程中的冰层形貌特征与流场、温度场分布特性，揭示了自然对流对蓄冰过程的影响机理，并定量评估了不同肋参数（肋高、肋厚、肋数）蓄冰装置的蓄冰效能。同时，开展了肋片式套管蓄冰装置蓄冰过程的可视化实验研究，验证了所建立数学模型的合理性，实时观测了蓄冰过程中冰层形貌的演化行为，获得了不同工况下蓄冰区域温度的非稳态变化规律。最终，通过在蓄冰流体介质区域内引入多孔泡沫金属，对肋片式套管蓄冰装置的蓄冰性能强化方法进行了有益探索，并结合数值模拟与实验研究验证了添加多孔泡沫金属对蓄冰装置蓄冰性能的强化作用。概括来说，本文的研究工作主要取得了以下主要结论:
　　(1)蓄冰流体介质区域内温差所引起的流体密度差异将引发自然对流，造成蓄冰流体介质区域内出现局部涡流，从而导致蓄冰流体介质区域内的工质掺混与温度波动，削弱了冷量传递强度，降低了装置的蓄冰效率。
　　(2)增加冷媒管上肋片的高度、厚度、数目均能有效提高蓄冰过程中冷量传递的换热面积，强化冷量的径向传递，提升蓄冰效能比。增加肋片厚度时所获得的蓄冰量提升能效比最小;在蓄冰前期，通过增加肋片数目所获得的蓄冰量提升能效比最高，而随着蓄冰过程的进行，增加肋片高度在蓄冰量提升能效比方面的优势逐渐凸显。
　　(3)蓄冰装置内的蓄冰形貌以及特征点温度演化特性与数值模拟结果吻合较好，从而验证了所建立理论模型的合理性;在保证蓄冰介质初始温度不变的情况下，蓄冰效率与冷媒和蓄冰介质间初始温差呈正相关:随着温差的增加，蓄冰过程中冷媒和蓄冰介质间的温度梯度增大，冷媒冷量的热扩散强度增强，蓄冰速度加快;另一方面，在保证冷媒温度不变时，降低蓄冰介质的初始温度可减小蓄冰介质达到冰点所需释放的显热量，从而有效地加快蓄冰速率。
　　(4)在多孔泡沫金属当量孔径相同的情况下，蓄冰速率与泡沫金属的孔隙率呈负相关:孔隙率越小，蓄冰速率越快;翅片冷媒管上的直肋可有效提升蓄冰区域内的径向传热，造成在蓄冰流体介质区域耦合肋片与多孔泡沫金属所获得的强化蓄冰效果要高于单纯依靠多孔泡沫金属的强化蓄冰效果。

目录

论文说明

摘要

符号表

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 冰蓄冷数值模拟研究现状

1．2．2 冰蓄冷实验研究现状

1．3 本课题的主要研究内容

第2章 肋片式套管蓄冰装置蓄冰过程的数值模拟研究

2．1 物理模型

2．2 数学模型

2．2．1 控制方程

2．2．2 边界条件

2．2．3 求解方法

2．2．4 网格划分和独立性检验

2．2．5 模型验证

2．3 模拟结果分析与讨论

2．3．1 自然对流对蓄冰过程的影响

2．3．2 蓄冰形貌分析

2．3．3 蓄冰区域温度场、流场分析

2．3．4 蓄冰过程特征温度演化特性

2．3．5 蓄冰过程热流密度演化特性

2．3．6 肋片套管装置蓄冰效能分析

2．4 本章小结

第3章 肋片式套管蓄冰装置蓄冰性能的实验研究

3．1 实验原理

3．2 实验方法

3．2．1 实验系统

3．2．2 蓄冰冷媒的选择

3．2．3 实验步骤

3．3 实验数据整理及误差分析

3．3．1 实验数据处理

3．3．2 实验误差分析

3．4 实验结果分析与讨论

3．4．1 蓄冰形貌分析

3．4．2 蓄冰区域温度演化特性

3．5 本章小结

第4章 蓄冰区域添加多孔泡沫金属强化蓄冰性能的研究

4．1 数值模拟

4．1．1 物理模型

4．1．2 数学模型

4．1．3 模拟结果分析与讨论

4．2 实验研究

4．2．1 实验原理

4．2．2 实验方法

4．2．3 实验结果分析与讨论

4．3 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文与获奖情况

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