潛熱蓄熱相變過程換熱強(qiáng)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(lǐng)域不可或缺。利用材料相變潛熱對(duì)熱能進(jìn)行存儲(chǔ)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(jià)格相對(duì)低廉，因此潛熱蓄熱是一種極具應(yīng)用潛力的蓄熱方式，但潛熱蓄熱方式并非完美，當(dāng)前可使用的相變材料導(dǎo)熱系數(shù)一般較低，限制了潛熱蓄熱的大規(guī)模應(yīng)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(duì)相變材料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行強(qiáng)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(dǎo)熱和各材料自身的導(dǎo)熱，同時(shí)液相相變材料在聯(lián)通的孔隙內(nèi)會(huì)發(fā)生自然對(duì)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(dòng)的耦合。該類問題的流動(dòng)和傳熱過程較為復(fù)雜，需要進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)、理論分析和應(yīng)用探討才能使泡沫金屬這種強(qiáng)化手段在潛熱蓄熱領(lǐng)域得到有效地推廣和應(yīng)用。
　　設(shè)計(jì)和搭建了復(fù)合相變材料

3、真空制備實(shí)驗(yàn)臺(tái)及潛熱蓄、放熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)。采用真空注入法，制備了填充率達(dá)96.7％的泡沫銅一石蠟相變復(fù)合材料。以管殼式相變蓄熱設(shè)備為研究目標(biāo)，對(duì)純石蠟材料、泡沫銅一石蠟復(fù)合材料，肋片強(qiáng)化的復(fù)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(jìn)行了性能測試，詳細(xì)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(duì)流的作用，熔化界面由上至下發(fā)展;肋片強(qiáng)化的復(fù)合材料樣本由于底部肋片的換熱強(qiáng)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(fù)合材料樣本的固，液界面形狀為錐形臺(tái)，其移動(dòng)演變過程是由內(nèi)向外進(jìn)行;泡沫金屬可以有效的縮短熔化時(shí)間，相同運(yùn)行條件下，各測點(diǎn)達(dá)到完全熔化的時(shí)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(duì)熔化速度的影響更為顯著。
　　對(duì)有效導(dǎo)熱系數(shù)、滲透率、慣性阻力系數(shù)和孔隙對(duì)流換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行總結(jié)與評(píng)述，對(duì)比有效導(dǎo)熱系數(shù)、滲透率、慣

5、性阻力系數(shù)和孔隙對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式，建立相對(duì)準(zhǔn)確的泡沫金屬強(qiáng)化相變材料潛熱蓄、放熱過程的流動(dòng)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(guān)聯(lián)式進(jìn)行設(shè)置和計(jì)算的非熱平衡模型和熱平衡模型與實(shí)驗(yàn)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(jì)算準(zhǔn)確性，而熱平衡模型的計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間成本較低。
　　在建立準(zhǔn)確的蓄、放熱過程數(shù)值模型前提下，對(duì)肋片與泡沫金屬協(xié)同強(qiáng)化高溫潛熱設(shè)備蓄、放熱過程進(jìn)行模擬研究，建立了對(duì)稱簡化的

6、三維物理和數(shù)學(xué)模型，對(duì)蓄、放熱過程固一液界面位置及內(nèi)部流場進(jìn)行分析，探討了泡沫金屬、肋片結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)對(duì)蓄放熱性能的影響，并在應(yīng)用層面上對(duì)“瘦長型”與“矮胖型”蓄熱單元進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。結(jié)果表明:肋片和泡沫金屬復(fù)合強(qiáng)化結(jié)構(gòu)可有效提高熔化和凝固速度，同時(shí)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(jìn)程，形成類似純導(dǎo)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(duì)相變過程的影響顯著，改變孔密度和肋片厚度的

7、強(qiáng)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(duì)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(qiáng)化作用，因此在不改變強(qiáng)化金屬用量的前提下，探討具有強(qiáng)化作用的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)具有重要應(yīng)用價(jià)值。在前述實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，權(quán)衡泡沫金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)相變蓄熱過程的影響大小，建立非均勻孔隙率泡沫金屬強(qiáng)化潛熱蓄、放熱模型并進(jìn)行數(shù)值模擬分析，與均勻孔隙率結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，理論和量化分析非均勻孔隙結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化作用。結(jié)果顯示: