移動式相變蓄熱裝置蓄放熱特性實驗與數(shù)值計算研究.pdf

1、我國工業(yè)部門在生產(chǎn)、制造過程中會產(chǎn)生大量的余熱、廢熱資源，如果不加以合理回收利用就會造成能量的巨大浪費，加重能源供求緊張關(guān)系;與此同時，在我國北方城鎮(zhèn)仍然存在大量建筑面積靠自備采暖效率并不高的小型燃煤鍋爐來供暖，這不僅會造成能量利用率低，而且也會加重環(huán)境污染，因此尋求合理的方法解決上述兩個矛盾迫在眉睫。移動式蓄熱技術(shù)能將工業(yè)余熱、廢熱收集并儲存在自身蓄熱材料中，經(jīng)卡車輸送到附近熱用戶處，為熱用戶提供熱水或采暖，從而實現(xiàn)將熱量供求雙方在時

2、間、地點和強度方面重新匹配，是解決上述熱量供求矛盾問題理想方法。移動式相變蓄熱裝置由于具有蓄熱密度大、熱負荷穩(wěn)定、安全可靠等優(yōu)點成為移動式蓄熱技術(shù)發(fā)展方向，但移動式相變蓄熱裝置由于自身相變蓄熱材料導(dǎo)熱系數(shù)低的原因蓄放熱效率往往不高，為此本文利用實驗與數(shù)值模擬的方法從相變蓄熱裝置蓄放熱性能、高效相變蓄熱材料的選取以及蓄熱單元蓄放熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進行研究，力爭為高效移動式相變蓄熱裝置的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。
　　工業(yè)部門產(chǎn)生的余熱、廢熱資源溫

3、度和余熱量不同時刻可能會發(fā)生變化，因此探究工業(yè)余熱資源變工況時熱源溫度與余熱量對移動式相變蓄熱裝置回收利用余熱資源過程中蓄放熱過程的影響具有重要意義。本文采用Rubitherm＃60石蠟類相變蓄熱材料為蓄熱介質(zhì)，搭建了通過改變循環(huán)水溫度、流量來研究余熱、廢熱資源熱源溫度與余熱量變工況時對移動式相變蓄熱裝置蓄放熱性能影響的小型實驗臺。研究發(fā)現(xiàn)相變蓄熱材料蓄熱熔化過程與放熱凝固過程都存在三個階段，即固態(tài)顯熱、潛熱以及液態(tài)顯熱蓄熱階段，其中顯

4、熱蓄放熱階段溫度變化大、上升速率快，換熱方式以導(dǎo)熱為主;潛熱蓄放熱階段溫度變化較小，換熱方式對流為主、導(dǎo)熱為輔。潛熱蓄放熱階段會存在自然對流現(xiàn)象，它會促進蓄熱材料的蓄熱熔化過程及阻礙放熱凝固過程，因此值得重點研究。此外，利用無量綱數(shù)表征蓄熱裝置蓄放熱進行程度，蓄放熱量及其變化量的大小可以通過柱狀圖得到。
　　其次，本文以實驗采用的增設(shè)橫肋的開孔翅片為研究對象，利用ICEM CFD軟件對蓄熱單元進行幾何建模、結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分，并

5、完成了網(wǎng)格獨立性與可靠性驗證。研究了綜合性能最佳的相變蓄熱材料選取，針對回收利用工業(yè)300℃的中低溫余熱、廢熱資源從而為熱用戶供應(yīng)85℃的熱水情況，對選取的10種常見的相變蓄熱材料進行了數(shù)值計算，對比分析了該10種蓄熱材料蓄放熱量、蓄放熱速率以及速度矢量圖。綜合考慮，＃5(56％LiNO3-44％NaNO3)相變蓄熱材料由于具有較大的蓄放熱量和較高的蓄放熱速率，可以認為本文特定工況下研究的所有蓄熱材料中性能最優(yōu)的相變蓄熱材料。
　

6、　最后，通過數(shù)值模擬方法研究了蓄熱單元換熱結(jié)構(gòu)強化換熱優(yōu)化方案，包括翅片開孔尺寸、橫肋截面尺寸、翅片間距以及翅片厚度。研究表明，翅片開孔和橫肋強化換熱性能的原理不同，前者為打斷和重新生成熱邊界層;后者為增強蓄熱熔化過程和阻礙放熱凝固過程中自然對流的擾動作用;翅片間距和翅片厚度則是通過改變蓄熱單元平均傳熱熱阻來改變蓄放熱性能，減小翅片間距以及增大翅片厚度對蓄熱單元蓄放熱性具有非常顯著的效果，改善效果要明顯優(yōu)于翅片開孔以及增設(shè)橫肋，但要考慮