多相变材料蓄热器蓄放热过程数值模拟研究

摘要

伴随着人类物质生活水平的提高，人类对能源的依赖日趋加剧，能源紧张与环境污染的矛盾愈演愈烈，节约能源和新型清洁能源的开发利用成为人们关注的焦点问题。为了更合理的利用能源，如何解决能源间歇性、调节用能峰谷平等问题为蓄热技术提供了广阔的应用前景。潜热蓄热作为一种重要的蓄热方式其具有蓄热、放热过程温度恒定、蓄热密度大、蓄热体积小等优点，所以学者们从上世纪70年代开始对其进行研究，一直至今，经久不衰。由于蓄热材料的导热系数普遍较低，所以学者们大都把研究重点放在强化蓄热材料的热传导能力上，而忽略了换热流体温度变化对蓄、放热过程的影响。本文基于单相变材料套管式蓄热器蓄、放热过程中换热流体沿流向的温度分布特点，提出了多相变材料蓄热器，并利用已有相变材料，采用数值模拟的方法研究了该蓄热器的蓄、放热过程特性，分析了蓄、放热过程中换热流体沿流向的温度变化特性，以及蓄热材料的熔化及温度分布特性，并对多相变材料蓄热器进行优化，寻找最佳运行模式。本文的主要研究内容如下:
　　首先，建立了单相变材料套管式蓄热器和多相变材料蓄热器的二维轴对称物理模型与数学模型，在计算过程中考虑了液态相变蓄热材料的自然对流，传热界面采用耦合边界条件，尽可能保证本文的传热模型与实际相一致。
　　其次，以单相变材料套管式蓄热器为研究对象，计算分析了换热流体流速与入口温度对其蓄热、放热过程的影响。计算结果表明:换热流体流速在一定范围内增大能够极大的加快相变蓄热材料的熔化（或凝固），但当换热流体流速增大到一定程度时，相变蓄热材料的熔化（或凝固）速率随换热流体流速的增加而加快的非常缓慢。换热流体入口温度的升高能够明显的加快蓄热材料的熔化，并且，伴随着换热流体入口温度的升高，蓄热速率会不断提高。换热流体入口温度的降低能够明显的加快蓄热材料的凝固，并且，伴随着换热流体入口温度的不断降低，放热速率会不断提高。
　　第三，以单相变材料套管式蓄热器为研究对象，研究分析了换热流体沿流向的温度分布。研究结果表明:蓄热过程中，沿换热流体流向，换热流体温度下降逐渐减小，换热量逐渐减少。靠近出口处温度变化最小，换热量最少。放热过程中，沿换热流体流向，换热流体温度上升逐渐减小，换热量逐渐减少。靠近出口处温度变化最小，换热量最少。
　　第四，对比分析了多相变材料蓄热器与单相变材料蓄热器的蓄热过程。研究了不同工况下多相变材料蓄热器的蓄、放热性能。研究结果表明:蓄热过程中，多相变材料蓄热器比单相变材料蓄热器熔化时间缩短约46分钟，缩短了近15％。当换热流体的流动方向与重力方向相反时，相变材料熔化较快，单位时间内蓄热量较大。当换热流体流向在蓄热与放热过程相反时，相变材料凝固较快，单位时间内放热量较大，