潛熱蓄熱相變過程換熱強化研究.pdf

1、蓄熱技術(shù)具有緩和峰谷差異，穩(wěn)定能量輸出的作用，因此在太陽能光熱利用、間歇性工業(yè)余熱利用、節(jié)能建筑平衡晝夜溫差和跨季節(jié)供熱、制冷以及一切具有間歇性、非穩(wěn)定性特性的熱源利用領域不可或缺。利用材料相變潛熱對熱能進行存儲和釋放，熱量蓄存密度大，材料來源豐富，覆蓋溫度范圍廣且價格相對低廉，因此潛熱蓄熱是一種極具應用潛力的蓄熱方式，但潛熱蓄熱方式并非完美，當前可使用的相變材料導熱系數(shù)一般較低，限制了潛熱蓄熱的大規(guī)模應用。本文以此為研究背景，采用泡沫

2、金屬類多孔介質(zhì)及肋片對相變材料的導熱性能進行強化。泡沫金屬的孔隙率高、孔隙聯(lián)通率高，蓄、放熱過程不僅發(fā)生孔隙結(jié)構(gòu)與相變材料間的導熱和各材料自身的導熱，同時液相相變材料在聯(lián)通的孔隙內(nèi)會發(fā)生自然對流換熱，因此相變材料在該類多孔介質(zhì)中發(fā)生相變涉及多尺度、多相、多場驅(qū)動的耦合。該類問題的流動和傳熱過程較為復雜，需要進行詳細的實驗、理論分析和應用探討才能使泡沫金屬這種強化手段在潛熱蓄熱領域得到有效地推廣和應用。
　　設計和搭建了復合相變材料

3、真空制備實驗臺及潛熱蓄、放熱實驗臺。采用真空注入法，制備了填充率達96.7％的泡沫銅一石蠟相變復合材料。以管殼式相變蓄熱設備為研究目標，對純石蠟材料、泡沫銅一石蠟復合材料，肋片強化的復合材料三種測試樣本在不同載熱流體溫度和載熱流體流速下進行了性能測試，詳細記錄相變材料相變過程的相界面位置和演變過程。結(jié)果表明:純石蠟樣本的固-液界面為漏斗形，由于自然對流的作用，熔化界面由上至下發(fā)展;肋片強化的復合材料樣本由于底部肋片的換熱強化作用，其固-

4、液界面形狀和發(fā)展情況與純石蠟樣本相反;泡沫金屬一石蠟復合材料樣本的固，液界面形狀為錐形臺，其移動演變過程是由內(nèi)向外進行;泡沫金屬可以有效的縮短熔化時間，相同運行條件下，各測點達到完全熔化的時間均少于純石蠟條件的1/3;提升載熱流體的流速和溫度均能加快相變材料的熔化速度，但作用效果不同，載熱流體溫度對熔化速度的影響更為顯著。
　　對有效導熱系數(shù)、滲透率、慣性阻力系數(shù)和孔隙對流換熱系數(shù)關聯(lián)式進行總結(jié)與評述，對比有效導熱系數(shù)、滲透率、慣

5、性阻力系數(shù)和孔隙對流換熱系數(shù)計算關聯(lián)式，建立相對準確的泡沫金屬強化相變材料潛熱蓄、放熱過程的流動和局部非熱平衡、熱平衡非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬模型，結(jié)果顯示:采用所選關聯(lián)式進行設置和計算的非熱平衡模型和熱平衡模型與實驗結(jié)果均能較好吻合，比較而言，非熱平衡模型具有更高的計算準確性，而熱平衡模型的計算量和計算時間成本較低。
　　在建立準確的蓄、放熱過程數(shù)值模型前提下，對肋片與泡沫金屬協(xié)同強化高溫潛熱設備蓄、放熱過程進行模擬研究，建立了對稱簡化的

6、三維物理和數(shù)學模型，對蓄、放熱過程固一液界面位置及內(nèi)部流場進行分析，探討了泡沫金屬、肋片結(jié)構(gòu)參數(shù)和設備運行參數(shù)對蓄放熱性能的影響，并在應用層面上對“瘦長型”與“矮胖型”蓄熱單元進行了技術(shù)經(jīng)濟性分析。結(jié)果表明:肋片和泡沫金屬復合強化結(jié)構(gòu)可有效提高熔化和凝固速度，同時肋片上下表面不均勻的熱量分配，可拉近肋板兩側(cè)相變材料的熔化進程，形成類似純導熱作用下固-液界面形狀;改變孔隙率，蓄、放熱溫度和肋間距對相變過程的影響顯著，改變孔密度和肋片厚度的

7、強化作用微弱。
　　泡沫金屬中的相變過程涉及液相相變材料的自然對流，材料內(nèi)部速度梯度場和溫度場的耦合協(xié)同能夠在一定程度上起到換熱強化作用，因此在不改變強化金屬用量的前提下，探討具有強化作用的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)具有重要應用價值。在前述實驗和數(shù)值模擬基礎上，權(quán)衡泡沫金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)對相變蓄熱過程的影響大小，建立非均勻孔隙率泡沫金屬強化潛熱蓄、放熱模型并進行數(shù)值模擬分析，與均勻孔隙率結(jié)構(gòu)進行對比，理論和量化分析非均勻孔隙結(jié)構(gòu)的強化作用。結(jié)果顯示: