（制冷及低温工程专业论文）新型相变材料蓄放热特性的数值计算与实验研究.pdf

摘要 随着人们对能源问题重要性的认识，蓄热技术的重要性也日益突出。而相变蓄热以其 蓄热密度大、蓄热器结构紧凑、体积小、热效率高、蓄放热温度恒定、易于运行系统匹配、 易于控制等突出的优点，日趋成为蓄热系统的首选，在新能源利用领域具有诱人的应用前 景。因此对相变材料及相变传热的分析研究是很有必要的。 本文采用了一种新型的相变材料s x r s ，对该相变材料的蓄放热特性进行了理论计 算和实验研究。 首先，引入相变问题的数学物理模型。本文建立的是一个一维的、非稳态的、液相不 含自然对流的、固液相变的数学模型，并采用有限差分法进行数值求解，获得了该相变材 料的蓄放热特性随水温的变化关系。 其次，建立了相变蓄热装置蓄放热特性实验台。在各种工况下，对新型相变材料s x r s 的蓄放热特性及其规律进行实验研究。研究水的流速、初始温度等因素对相变材料蓄 放热特性的影响规律，并确定各影响因素的重要程度，优化设计方案。 最后，通过对数值模拟和实验结果进行比较，验证了所建立的数学模型的可靠性。通 过比较可以看出，理论计算与实验结果基本相符，为蓄热装置在实际工程中的应用提供了 设计参考依据。 关键词：相变材料蓄热放热数值计算 a b s t r a c t w i t ht h ef u r t h e rr e a l i z a t i o no ft h ei m p o r t a n c eo ft h ee n e r g y ，t h er e s e a r c ho nt h e r m a ls t o r a g e t e c h n i q u ea p p e a r st ob em o r ea n dm o r ev a l u a b l e t h ep h a s e c h a n g et h e r m a ls t o r a g eh a sl a r g e r h e a ts t o r e dd e n s i t ya n dh i g h e rt h e r m a le f f i c i e n c y c o m p a r e dw i t ht h eo t h e rt h e r m a ls t o r e dw a y s ， i ti sm o r ec o m p a c ta n de a s i e rt ob ec o n t r o l l e da n dt om a t c hw i t ht h eo p e r a t i n gs y s t e m ，s ot h e p h a s e - c h a n g et h e r m a ls t o r a g eg r a d u a l l yb e c o m e sap r e f e r r e dh e a ts t o r e dt e c h n i q u ea n dh a sa w i d e l ya p p l i e dp r o s p e c t t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt od oar e s e a r c ho nt h ep h a s e c h a n g em a t e r i a l s a n dp h a s e - c h a n g et h e r m a lt r a n s f e r an e wp h a s e c h a n g em a t e r i a l - - s x r - si sa d a p t e di nt h ep a p e r t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri s t os t u d yt h eh e a ts t o r e da n dr e l e a s e dc h a r a c t e r i s t i co ft h en e wp h a s e - c h a n g em a t e r i a lb y n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t f i r s t l y , t h em a t h e m a t i c a la n dp h y s i c a lm o d e lo ft h ep h a s e - c h a n g ep r o b l e mi sp r e s e n t e di n t h ep a p e r t h eo n e d i m e n s i o n a l ，n o n - s t e a d ys t a t ea n dl i q u i d s o l i dp h a s em a t h e m a t i c a lm o d e l w i t h o u tn a t u r a lc o n v e c t i o ni sf i r s t l ye s t a b l i s h e d t h e nt h ev a r i a t i o nr e l a t i o no ft h ep h a s e c h a n g e m a t e r i a lt e m p e r a t u r ea n dw a t e rt e m p e r a t u r ei so b t a i n e db yf i n i t e - d i f f e r e n c em e t h o d s e c o n d l y , t h eh e a ts t o r e da n dr e l e a s e dc h a r a c t e r i s t i co fh e a ts t o r a g el a bi sd e v e l o p e d c h a r a c t e r i s t i ca n dl a wo fa c c u m u l a t i o na n dl i b e r a t i o no fh e a to nt h ep h a s ec h a n g em a t e r i a l - - s x r - si se x p e r i m e n t a l l ys t u d i e di nt h i sp a p e r i ti sa l s or e s e a r c h e dt h a tt h ee f f e c to fv e l o c i t ya n d t e m p e r a t u r eo fw a t e ro na c c u m u l a t i o na n dl i b e r a t i o no fh e a t t h ei m p o r t a n c eo fe a c hf a c t o ri s c o n f i r m e da n dd e s i g np r o j e c ti so p t i m i z e d f i n a l l y , t h er e l i a b i l i t yo fm a t h e m a t i c a la n dp h y s i c a lm o d e li sv a l i d a t e db yc o m p a r i s o no f n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i tc a nb es e e nf r o mt h ec o m p a r i s o nt h a tt h e t h e o r e t i c a lr e s u l t si sr e l a t i v e l ya g r e e m e n tw i n le x p e r i m e n t a lo n e s i to f f e r sr e f e r e n c ef o u n d a t i o n f o rt h e r m a ls t o r a g ee q u i p m e n tu s e di np r o j e c t s k e y w o r d s ：p h a s e c h a n g em a t e r i a l ，h e a ts t o r e d ，h e a tr e l e a s e d ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n 主要符号表 主要符号表 热扩散率( 导温系数) ，m 2 s 口 换热系数，w ( m 2 k ) 表面积，m 2 比热容，j i ( k g k ) 直径，m 烩，材 长度，m 热流密度，w i m 2 换热量， 径向坐标，m m 管半径，m m t 时间，s z 温度， u 水的流量，m 3 h j 固态 三 液态 厂 相变材料 歹，m 空间网点 f ，l时间网点 相变时饱和参数 五 导热系数，w ( m 意) 下标 密度，堙朋3 无量纲温度 无量纲时间 无量纲焓 无量纲潜热 格拉晓夫数，9 1 3 a a t v 2 努塞尔数，h d 2 普朗特数，v i a 雷诺数，v d v 斯蒂芬数 m 相界面 w 壁面 上标 5 8 p 秒 f 痧 g 毋 m n k 龇 c d g q r r 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 学位论文作者同意授权天津商业大学将学位论文的全部内容或部分内容编 入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或者扫描等手段保存、汇编以供查阅 或借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 签名： 壹聱 一导师签名： 日期： 第一章前言 第一章前言 在现有的能源结构中，热能是最重要的能源之一。但是，大多数能源，如太阳能、地 热能和工业余热废热等，都存在间断性和不稳定的特点，在许多情况下人们还不能合理地 利用能源。因此我们要找到一种方法像蓄水池蓄水一样把暂时不用的能量储存起来，而在 需要时再把它释放出来。我们采用适当的储能方式，利用特定的装置，将暂时不用的能量 通过一定的蓄能材料储存起来，需要时再利用的方法称为蓄能技术【l 】。 热量的储存，基本上分为两大类型，即显热蓄热和相变蓄热【2 】。显热蓄热是通过加热 蓄热材料提高其温度，而将热能储存其中。相变蓄热是利用蓄热材料相变时产生的熔解热 将热能储存起来。利用固液相变潜热蓄热的蓄热介质常称为相变材料( p h a s ec h a n g e m a t e r i a l ) 。相变蓄热较之显热蓄热的优点主要在于不仅所用装置简单、体积小，而且蓄热 密度大、蓄( 放) 热过程近似等温、过程易控制等。因此成为最具实际发展潜力、目前应用 最多和最重要的蓄热方式。由于相变蓄热在热能利用方面具有的优越性能，吸引了世界各 国的关注，使它成为当今世界上方兴未艾的新技术领域。 1 1 相变蓄热课题的研究背景及其意义 能源与环境问题是当今世界所面临的两大难题。在我国，随着国民经济的调整和发展， 能源与环境问题愈来愈严重，己经成为制约我国经济发展的瓶颈问题： ( 1 ) 能源消费量的快速增加与环境污染：据统计，从1 9 7 8 年到1 9 9 7 年改革开放的2 0 年间，能源消费总量大约增加了1 5 倍( 从5 7 1 4 4 万吨标准煤到1 4 2 0 0 0 万吨标准煤) 【3 】。不 仅如此，由于受自然资源客观条件限制，我国的能源生产与消费结构极其不合理，煤炭一 直占我国能源生产和消费总量的7 5 左右。这样，一方面能源消费量的增加必然伴随着 对环境污染的加重，另一方面过多地燃用煤炭更使得我国的环境问题雪上加霜。所以，由 于能源的高消费而导致的环境问题愈来愈严重，受到人们的广泛关注。环境问题己成为当 今社会的热点问题，它直接关系到人类社会的生存和发展。因此，解决或控制能源消费过 程已经是迫在眉睫。 ( 2 ) 我国的能源生产严重落后于国民经济的增长，能源消费弹性系数低。据统计，自 1 9 8 3 年到2 0 0 0 年的十七年中，我国的能源消费对g d p 的平均弹性指数为o 5 ，而2 0 0 0 年和2 0 0 2 年更低，分别为o 2 l 和o 2 5 ，均低于世界平均水平。这说明，提高用能效率， 节约能源，仍然是当前解决我国能源问题的重要途径之一。 ( 3 ) 太阳能、风能等非连续性新能源开发推广不够，新能源利用的技术层次低，在新 第一章前言 能源的推广利用方面与西方发达国家有着非常大的差距。 欲解决上述能源紧缺、能源消费快速增长与环境污染之间的诸多矛盾，应从下述三个 基本方面入手： ( 1 ) 加强节能工作，发展新的余热利用技术。 ( 2 ) 大力开发利用太阳能、风能、生物能等新洁净能源。 ( 3 ) 最大限度地减少一次性能源的直接消费，尤其是直接民用消费，发展高效经济的 干净能源民用技术。 然而，所有这一切都必须以先进的能量储存技术为基础。因此，开展能量储存技术的 研究有着重大的现实意义。 因为大多数新兴能源都存在着间断性和不稳定性，如果能利用蓄能装置来协调能量供 求在时间和强度上的不匹配是经济和可行的方法。因此研究高效而经济的蓄能技术就占有 特别重要的地位。 人们对相变蓄能的认识及研究虽然只有几十年的历史，但它的应用已十分广泛，已成 为日益受到人们重视的一种新兴的技术，目前可以在如下领域中得到广泛应用 4 1 ： ( 1 ) 利用相变蓄能技术储存太阳能。太阳能的热量可通过相变材料储存起来，供无太 阳时释放热量。太阳能是人类生活所需所有能量的源泉，相对人类的发展历程而言，太阳 能是一个容量无限大的、取之不尽、用之不竭的能源，这是其它任何一种能源无法比及的 优点。太阳能资源极为丰富，可再生、无污染、不需运输、不需付费，是人类最好的能源。 如果合理利用太阳能集热器收集能源，每平方米太阳能集热器一年可收集半吨多煤的热 量。我国地域辽阔，太阳能极为丰富，开发应用潜力极大。 ( 2 ) 建筑物围护结构储能。通常建筑物西北墙和房顶在维持室内的舒适度时具有较大的 热负荷，传统的空调可以解决这一问题，但需消耗较多的电力，并且增加电网峰值负荷。 在这些墙体中使用绝热材料和相变储热材料，可以大大降低空调负荷，起到很好的节电效 果。 ( 3 ) 转移电力峰值负荷、平衡电力供应。目前世界和我国的不少地区用电实行分时计 价，电力的峰值价格往往与谷值价格相差2 - 4 倍。所以，在用电低谷期间，利用相变储 能材料储存廉价的电能，在用电高峰期间，将储存的能量再提供给空调或供暖设备，也会 对电力供应起到很好的调配作用。 ( 4 ) 用于工业余热、废热的回收系统、化工工艺储热、计算机芯片和通讯部件散热和 热控等。相变蓄能正在成为热能经济合理利用和工业元件热控的主要手段之一，正在逐步 2 第一章前言 进入工农业生产和日常生活的各个方面。 总之，相变蓄能是有效利用新能源的重要途径，积极响应了国家能源政策。提高蓄能 系统的相变速率、热效率、蓄能密度和长期稳定性是目前面临的重要课题。利用相变储能 不仅可以节省宝贵的一次能源，保护环境，还可带来可观的经济效益。因此说本课题的研 究具有社会意义和经济意义。 1 2 国内外的研究动态 蓄热技术最早出现在十九世纪末期，在1 8 8 0 年左右西欧就有了以n a o h 为蓄热介质 的渡船与火车机车，但在以后的近百年中相变蓄热技术的发展一直相当缓慢。2 0 世纪3 0 年代以来，特别是受7 0 年代能源危机的影响，相变蓄热的基础理论和应用技术研究在发 达国家( 如美国、加拿大、日本、德国等) 迅速崛起并得到不断发展。其研究和应用涉及材 料科学、太阳能、工程热物理、空调和采暖及工业废热利用领域【5 1 。 1 2 1 相变材料的研究进展 相变材料是一种能够把过程余热、废热及太阳能吸收并储存起来，在需要时再把它释 放出来的物质。在能源供给渐趋紧张的今天，相变材料以其独特性越来越受到人们广泛的 重视，越来越多的领域开始应用相变材料。因此，在相变材料的研制中，选择合适的材料 是非常重要的。 从储热的温度范围来看，相变材料可分为高温( 1 2 0 8 5 0 ) 和中低温( 0 1 2 0 ) 。 根据相变形式、相变过程，相变材料可分为固一液相变、固一固相变储能材料。而按化学成 份不同，相变材料又可分成以下几类【6 】： 相变材料 r ，结晶水合盐( 如n a 2 s 0 4 1 0 h 2 0 ) i 无机类l 熔融盐 g 其中j = l ，2 ，3 ，m n = l ，2 ，3 ，i 网格划分采用均匀网格，如图2 2 所示： 1 6 第二章新型相变材料s x r s 蓄放热特性的理论研究 图2 - 2 网格图 5 计算点的确定 为了更好的研究该相变材料的蓄放热特性，取同一径向的三个点为计算点。如图2 - 1 所示，点0 为距离铜管最近的点，距离管壁0 5 r a m ；点2 为一个计算区域内离管壁最远的 点，距离管壁9 5 m m ；点l 为一个计算区域的中心位置，距离管壁5 5 m m 。 2 2 1 蓄热过程 在蓄热阶段的初始时刻，设定相交材料的温度为4 0 ( 2 ，通入的热水分别以8 2 c 、8 5 、8 8 三个温度进行计算比较。初始和边界条件分别如下： 初始条件： t = - 0 时，l = 4 0 c ； 瓦= 设定值； r 。= n o 边界条件： 管壁面r = n o ：t = 瓦= r o 相界面r = r 。：t = 已= 7 9 c 无量纲化初始条件： 无量纲化边界条件： 弘。时，秒= 甄r , - r ；= 护 ( 2 - 1 。) ，= 1 时，口= 一1 1 7 第二章新型相变材料s x r s 蓄放热特性的理论研究 ，：争时，秒：0 ( 2 - 1 1 ) 民 将初始条件和边界条件离散后，方程( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 可化为： 乡? ：竺量 已一乙 虻= 9 ： 爵= 一l ( 2 1 2 ) 对上面推导出的离散方程和边值条件，直接采用有限差分的显式格式。由于显示格式 存在稳定性问题，所以选择步长时必须满足稳定性条件筹 o 5 ，这里取时间步长 a t = 0 4 s ，半径步长a r = 0 5 m m 。 2 。2 2 放热过程 在放热阶段，设定相变材料的初始温度为8 0 c ，通入的冷水分别以3 0 。c 、3 5 。c 、4 0 。c - - - 个温度进行计算比较。初始和边界条件分别如下： 初始条件： 即时，弓= 8 0 ； 毛= 设定值； r 。= r 边界条件： 管壁面r = r o ：t = 瓦= 瓦 相界面r = r m ：t = l = 7 9 c 对放热过程的处理采用同蓄热过程同样的方法，当最外层r = r 。+ 9 5 r a m 处相变材料 的温度达到5 0 时，计算停止。 计算过程采用m a t l e b 软件进行编程，按照执行的先后顺序给出了程序流程图，见图 1 8 第二章新型相交材料s t s 蓄放热特性的理论研究 图2 3 流程框图 2 3 数值计算结果与分析 从以上数学模型方程中可以看出，相变材料的蓄放热特性主要被管内的水温所影响， 因此各分三组工况对相变材料的蓄放热特性进行数值计算。 1 蓄热过程 在蓄热过程中，分别以入口的水温为8 2 、8 5 c 、8 8 c - - 个工况，对各点相变材料的 1 9 第二章新型相变材料s 己一s 蓄放热特性的理论研究 蓄热特性进行分析计算。 1 ) 不同计算点处的蓄热特性 如图2 - 4 所示为铜管半径3 m m ，水温8 2 时，不同计算点处相变材料的温度随时间的 变化曲线。共取3 个点进行计算，各点的位置如图2 2 所示。 从图2 4 中可以清楚地看出，3 个点经过一段时间的显热蓄热之后即可达到相变温度 7 9 。c ，在潜热蓄热阶段相变材料的温度会保持在7 9 。c 左右，直至潜热蓄热结束后，进入过 热蓄热期，这时相变材料的温度会缓慢上升，慢慢趋近水温。相对于显热蓄热阶段，潜热 阶段所用的时间较长，大概为显热阶段所用时间的4 倍。 从图中可以看出，随着计算点到铜管距离的增加，达到相变温度所用的时间也变长。 由于点o 紧贴铜管壁面处，所以即可在很短的时间内就达到相变温度。而最外侧的点2 则 最晚达到相交温度。 2 ) 入口水温对蓄热特性的影响 如图2 - 5 所示，为铜管半径3 m m 时，不同的入口水温情况下，计算点l 和点2 处相变 材料的温度随时间的变化关系。从图中可以看出，水的温度越高，达到相变温度所用的时 间越短，蓄热量也越多。这主要是因为水的温度越高，水与相变材料之间的传热温差越大， 热流密度大，单位时间传递的热量也就越多。入口水温越高，在潜热蓄热阶段持续的时间 就越短，也就越快进入过热蓄热阶段。这就说明，水温越高，相变材料在单位时间的蓄热 量就越大。通过比较图a ) 和图b ) 可以看出，相变材料离铜管距离越近，温度升高的越快， 达到相变温度的速度就越快。 ，、 p 、 雠 赠 _ 图2 _ 4 水温8 2 c 时相变材料的温度随时间的变化 第二章新型相变材料s 己一s 蓄放热特性的理论研究 ，_ 、 p 、- ， 越 赠 - ，_ 、 p 、 醚 赠 o a ) 点2 b ) 点l 图2 5 入口水温对各点蓄热特性的影响 2 放热过程 在放热过程中，分别以入口的水温为3 0 c 、3 5 c 、4 0 c - - - 个工况，对各点相变材料的 放热特性进行分析计算。 1 ) 不同计算点处的放热特性 如图2 - 6 所示为铜管半径3 m m ，水温3 5 时，不同计算点处相变材料的温度随时间的 变化曲线。同样取3 个点进行计算，3 个点的位置同蓄热过程的位置一致。 从图2 - 6 中可以清楚地看出，3 个点经过一长段时间的潜热放热之后进入到显热放热 阶段。在潜热放热阶段相变材料的温度会保持在7 9 c 左右，直至潜热放热结束后，进入到 显热放热，这时相变材料的温度会迅速下降，直至慢慢趋近水温。理论上，在潜热放热阶 2 1 第二章新型相变材料s l s 蓄放热特性的理论研究 段之前应该经历一个过热放热阶段，但在该图中这个阶段不是明显，这是因为相变材料的 初始温度已经接近于相变温度。由此可以看出，所放出热量的多少主要依赖于潜热放热阶 段，显热阶段释放的热量同潜热阶段相比，几乎可以忽略不计，从这里可以很直观的看出 潜热蓄热的优势及其应用价值。 从图中可以看出，随着计算点到铜管壁距离的增加，潜热放热所用的时间也变长。由 于点0 紧贴铜管壁面处，反映出来的温度近似于铜管壁面的温度，所以点0 的温度几乎成 直线下降趋势，直至降到管内水温附近，趋势才近乎平缓，慢慢趋近于水温。而最外侧的 点2 则最晚结束潜热放热阶段。 ，一、 p 、 蜊 赠 知 图2 - 6 水温3 5 时相变材料温度随时间的变化 2 ) 入口水温对放热特性的影响 如图2 - 7 所示为铜管半径3 唧时，不同的入口水温情况下，相变材料的点1 和点2 处 的温度随时间的变化关系。从图中可以看出，水的温度越高，潜热放热阶段保持的时间越 长。这主要是因为水的温度越高，水与相变材料之间的传热温差越小，则相变材料的温度 就会降得越慢。 对比图a ) 和图b ) 可以看出，两图的降温趋势几乎是一样的，但因为点1 离铜管的距 离较近，所以潜热放热时间比点2 所用的时间短。这就可以说明铜管外的相变材料，虽然 所处位置不同可能导致放热的快慢不等，但所经历的放热趋势是非常接近的。 第二章新型相变材料s 己一s 蓄放热特性的理论研究 ，_ 、 p 、- ， 趟 赠 ，_ 、 p 、- 一 憾 赠 扣 a ) 点2 ”点1 图2 - 7 水温变化时各点温度随时间的变化 2 4 管内流体温度随管长的变化 以上的计算是根据理想化的物理模型进行的，但实际过程中，在蓄热和放热阶段，由 于管内的流体要不停地同管外的相变材料进行热量交换，因此，管内流体的温度会随管长 不断地变化。 在计算过程中以一层盘管为例进行分析，可以把盘管看成是一根长的直管，把直管划 分成很多个微元段，取微元段出为研究对象，如图2 8 所示。 第二章新型相变材料s x r s 蓄放热特性的理论研究 相变材料t f 一 一 t r - - 一 盈 图2 - 8 管内微元段流体 设该微元段的平均温度为c ，微元段的入口温度为乙，出口温度为z + l ，因此有 乃= 学 该微元段内的水在蓄放热过程中的热量变化为： 蜴= m c 。l l 一乙+ 。 = nc l “i l l + 。 式中：岛、c l 为水的密度堙朋3 和比热i 厂慨k ) ，“为水的流量聊3 s 。 水与铜管壁的对流换热量为： q 2 = 刎l l 一i = 2 , - - d 宅o 口k - t , f j 式中：口为水与铜管壁的对流换热系数w m 2 k ，为微元段长度柳。 对流换热系数口可按下式计算： ， 力 口= 甜一 三 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 为简化问题，这里按层流计算，对于管内层流换热，常物性流体在充分发展段的n u 数是 4 7 1 ： n u = 3 6 6 ( 常壁温) 代入方程( 2 1 6 ) 可得： 口：n u 兰：3 6 6 互 三 2 4 ( 2 1 7 ) 第二章新型相变材料s x r s 蓄放热特性的理论研究 s 戈e e 为水的导热系数w m 2 七，l 为单层铜管管长为7 6 m 。 从铜管壁面传到相变材料的热量为： g = 盎1 i n r 。+ r 。， 2 z 旯，r o 式中：0 为相变材料的导热系数，弓为相变材料的温度。 根据能量平衡，有： q 1 = q 2 = q 3 1 蓄热阶段 由q 2 = 幺可得： 2 欣。懈( t l ) 出= 2 巩。( 瓦一弓) l n r o 上+ 互r , 。出 r o 式中：l 为铜管壁面温度；巧为初始时刻相变材料的温度，在蓄热阶段可令 整理方程( 2 - 1 9 ) 可得： 令a = 1 + c =1 + 九f 嘁h 警 哦l n 警r o + r i 由q l = 幺可得： b = 一三一弓ar o i n r 。+ k r | | a r oi n 孚r 。+ r z = 彳瓦一曰弓 则上式可写成： n 粥l ( l l + 1 ) = 2 z r o l 口( c l ) 式中：z 为微元段长度。 整理方程( 2 2 2 ) 可得： 瓦= 篇2 z r i 瓦) + 挚 口z ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 乃= 4 0 。 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 第二章新型相变材料s 己一s 蓄放热特性的理论研究 令c ：j 坐坚则上式可写成： 口2 z r r 。， 瓦：c 阮+ l _ l ) + 2 竽( 2 - 2 4 ) 将方程( 2 1 3 ) 、( 2 2 4 ) 代入( 2 2 1 ) 中可得： 挚= 彳融圳+ 毕k 整理上式可得： t n + l 篇小丽2 雨b 弓( 2 - 2 5 ) 令r o = 8 2 c ，l = 4 0 c ，微元段长度取，= 0 5 m 。用m a t l a b 软件编写简单的计算程序，通 过迭代的方法可以推算出每个微元段内的流体温度。 从上式中可以看出，管内的水温随管长的变化受水温和管径的影响，因此分两组工况 对管内水温的变化进行计算，具体工况参数见表2 1 。 表2 - 1 工况参数 组数工况参数 研究目的 r 0 2 3 m m ， 改变流速对管内水温变 “= 1 3 ，1 4 ，1 5 m 3 h 化的影响 u = 1 3 m 3 h ， 改变管径对管内水温变 r o2 3 ，4 ，5 m m 化的影响 图2 - 9 和图2 1 0 分别给出了在不同流速和管径的情况下，管内的水温随管长的变化关 系。其中横坐标表示管长，纵坐标表示流体在流动过程中各点的温度。从图中可以看出不 论何种工况，管内的水在流动过程中温度将不断下降，近似于直线变化，这是因为水在流 动过程中不断地对相变材料进行放热所造成的。 从图2 - 9 可以看出，流速越大，水的温度降低的越慢，即在同一管长处的水温越高。 这是因为，流速越大，放出同样的热量所需的温差越小，所以温度降低的慢，也可认为是 由于流速大，流体来不及进行热交换所致。 2 6 第二章新型相变材料s 己一s 蓄放热特性的理论研究 从图2 1 0 可以看出，管径增大，管内的水温将下降的较慢。这是因为，管径增大，换 热面积增大，传递同样热量所需温差小，因而流体温度下降的慢。 ，、 p 、- ， 毯 赠 ，o 图2 - 9 蓄热时管内水的流速对水温的影响 图2 1 0 蓄热时管径对水温的影响 2 放热阶段 在放热过程中同样可以用方程( 2 2 5 ) 进行迭代计算。 初始条件为r o - - 3 5 ，l = 8 0 。具体工况参数见表2 2 。 图2 1 1 和图2 1 2 分别给出了放热阶段在不同流速和管径的情况下，管内的水温随管 长的变化关系。从图中可以看出在放热过程中，管内的水在流动过程中温度将不断升高， 也是近似于直线变化。这是因为在放热过程中，通入的温度较低的水在流动过程中不断地 吸收相变材料放出的热量造成的。 第二章新型相变材料s 己一s 蓄放热特性的理论研究 表2 - 2 工况参数 组数工况参数研究目的 r o - - 3 m m ， 改变流速对管内水温变 = 1 2 ，1 3 ，1 4 m 3 h 化的影响 “= 1 3 m 3 h ， 改变管径对管内水温变 r o = 3 ，4 ，5 m m 化的影响 从图2 1 1 可以看出，流速越大，水的温度升高的越慢，即在同一管长处的水温越低。 原因同蓄热阶段类似，流速越大，吸收同样的热量所需的温差越小，所以温度升高的慢。 从图2 1 2 可以看出，管径增大，管内的水温将升高的较慢。这是因为，管径增大，换 热面积增大，传递同样热量所需温差小，因而流体温度上升的慢。 通过蓄热和放热过程的四个图表来看，不论是在蓄热阶段还是在放热阶段，管径对管 内水温的影响要比流速对水温的影响更为明显，因此在设计蓄热罐的结构时，管径的尺寸 是至关重要的。 、 p 、一， 恻 赙 ，1 图2 1 l 放热时管内水的流速对水温的影响 第二章新型相变材料s t s 蓄放热特性的理论研究 ，- 、 p 、， 蜊 赠 扣 图2 1 2 放热时管径对水温的影响 2 5 管壁温度随管长的变化 在上文的理论模型中近似的把管壁温度看成是与管内水温相等，但这只是一个理想化 的情况。实际上，随着管内流体的温度变化以及相变材料温度的不断变化，管壁温度也在 不断的变化，很难保持一个恒定的值。因此，有必要对管壁温度作进一步的探讨。 在对管壁温度的计算过程中同样以一层盘管为例进行分析，可以把盘管看成是一根长 7 6 m 的直管。管壁温度可以通过方程( 2 2 4 ) 进行计算。 乙：c 亿+ l - l ) + 雩每( 2 - 2 4 ) 将上一节中所求得的管内流体温度代入方程( 2 2 4 ) 中，用m a t l e b 软件编写程序进行迭 代计算。 1 蓄热阶段 从上式中可以看出，管壁温度同样是受流速和管径影响。在蓄热阶段中，初始条件为 t o = 8 2 c ，l = 4 0 c ，微元段长度取，= o 5 m 。具体的工况参数可按照表2 1 进行计算。 图2 1 3 和图2 1 4 分别给出了蓄热阶段不同流速和管半径的情况下壁面温度随管长的 变化关系。其中横坐标表示管长，纵坐标表示各点的壁面温度。从图中可以看出，不论哪 种工况，壁温均随管长的增加而下降，这是因为在蓄热阶段，相变材料不断的从流动的水 中吸收热量，热量通过铜管壁面传递给相变材料，因此壁面也会吸收一定的热量。随着管 长的增加，水的温度不断的降低，因此导致壁面温度也越来越低。 从图2 1 3 可以看出，在同一管长位置，流速加大，壁面温度相对较高。这是因为，流 2 9 第二章新型相变材料s t s 蓄放热特性的理论研究 速大，流量也大，释放同样的热量所需的温差小，所以壁面温度变化就小。 从图2 1 4 可见，管径加大，壁温下降的较慢。这是因为管径大，换热面积就大，传递 同样的热量所需温差小，因而壁温相对较低。 、 p 、， 倒 赠 砷 ，一、 p 、 堪 赠 扣 图2 1 3 蓄热时流速对壁温的影响 图2 1 4 蓄热时管径对壁温的影响 2 放热阶段 在放热阶段中，初始条件为r o = 3 5 c ，t = 8 0 c ，微元段长度取，- - o 5 m 。工况参数可 见表2 2 。 图2 1 5 和图2 1 6 分别给出了放热阶段不同流速和管半径的情况下壁面温度随管长的 变化关系。从图中可以看出，不论哪种工况，壁温均随管长的增加而升高，这是因为在放 热阶段，水在流动过程中不停的从相变材料处吸收热量，水温不断升高，导致壁面温度也 会不断地升高。 第二章新型相变材料s 己一s 蓄放热特性的理论研究 ，一、 p 、 燃 赠 扣 ，一、 p 、_ 一 越 赠 o 图2 1 5 放热时流速对壁温的影响 图2 1 6 放热时管径对壁温的影响 2 6 本章小结 本章主要是在一定的假设前提下，将蓄热罐内复杂的三维相变过程简化为一维纯导热 相变过程，利用焓法和有限差分法建立了相变材料传热的简化模型，对相变蓄热装置的蓄 热和放热性能进行了分析研究，并用m a t l e b 语言编制计算机程序进行求解，得出了各 种工况下相变材料的温度随时间的变化规律。本章还简单计算了实际过程中管内流体温 度以及壁温随管长的变化，并分析了对管内流体温度和壁温的影响因素，为实际工程提供 了理论依据。 3 1 第三章实验装置及设备介纲 第三章实验装置及设备介绍 为了验证所建立的数学物理模型以及对相变材料的蓄放热特性进行研究，特建立能与 所研究的相变温度范围相匹配的相变蓄放热装置实验台。 31 实验台的搭建 图3 - 1 是实验台的外观照片，它主要由电加热水箱、流量计、水泵、蓄热罐、板式换 热器、数据采集仪、阀门及其连接管道等构成。 图3 - 1 相变材料的蓄放热实验台 该实验台可以进行多种工况下相变材料的蓄放热实验，其工作原理见图3 - 2 ，主要的 循环流程如下： l _ 电加热蓄热循环过程： 阀a 、c 开，阀b 、d 、e 、f 关 流程为：a d e f b c 一8 2 放热循环过程： 1 ) 散热器放热循环 阀a 、c 、f 开，阀b 、d 、e 关 流程为：a d e b i j ca 注：电加热器不给电 第三章实验装置及设备介绍 2 ) 热水放热流程 阀a 、c 、e 开，阀b 、d 、f 关 流程为：a d e f h - b c a 注：电加热器不给电 1 电加热水箱2 蓄热罐3 板式换热器4 淋浴器5 散热器6 水泵7 流量计 冈 阀a 、b 、c 、d 、e 、f 温度测点 压力测点 图3 - 2 蓄放热实验工作原理图 1 蓄热罐 蓄热罐是本实验台的核心部分，其内部结构如图3 - 3 所示。该蓄热罐为圆柱形桶状设 计，桶身高9 5 c m ，桶的内径为5 0 c r a 。蓄热罐内的换热盘管为铜管，采用立体双渐开线结 构，该结构在保证换热面积的同时，减小了水流管道阻力，保证了蓄热器内换热管分布的 均匀性，提高了蓄热剂热量吸收和释放的稳定性和时效性。如图3 3 所示，换热盘管共有 3 2 层，均匀的连接在两根共通管上。单层管长为7 6 m ，管内径为6 m m ，管的中心距为2 5 m m 。 本实验采用的相变材料s x r s 分布在换热盘管外，填满整个蓄热罐。相变材料总容积为 第三章实验装置及设备介绍 1 4 9 7 l ，总重约为3 1 4 4 k g 。为了减少热损失，在蓄热罐的外壁加盖保温层，因此可近似 看成绝热。 图3 - 3 蓄热罐内部结构 2 电加热水箱 本实验使用的电加热水箱是用不锈钢制作的，是一个直径3 5 c m 、高5 0 e r a 的圆筒状水 3 4 第三章实验装置及设备介绍 箱，在水箱底部安装3 根额定功率分别为2 k w 的电加热丝，通过电线与控制柜中的固态继 电器连接，可手动控制，也可通过电脑系统控制，其控制电路图见图3 - 4 。在水箱的外壁 加盖保温层，可最大限度的减少与外界的换热损失。 拄电如热盘羞 图3 - 4 电加热水箱控制电路图 最皇弄 3 自动控制系统 为了使该实验的操作更加方便、规范，特使用v b 语言编写系统控制程序，并制作了 一个控制柜，如图3 - 5 所示，采用a d a m 控制模块，其一端连接计算机，另一端与继电器 相接，这样就可通过计算机轻松的控制电加热的开关以及水泵的运行和停止。 图3 - 5 控制柜圈3 - 6m x l 0 0 数据采集仪 第三章实验装置及设备介绍 4 数据测量及采集仪器 1 ) 热电偶：蓄热罐内采用的是k 型热电偶，而蓄热罐的进出口铜管上采用t 型热电 偶。 热电偶把温度转换为电压。当两种不同的金属线绕结时，就有电压产生，这个电压是 热电偶线中的结温和金属类型的函数。许多不同金属的温度特性都是众所周知的，因此从 电压就可以计算出结温。t 型热电偶的温度范围为一2 0 0 c 4 0 0 ，探头精度0 5 1 。 2 ) 流量计：本实验采用的是l w 型涡轮流量计，如图3 7 所示。其工作原理为通过放 置在传感器内的涡轮在流体作用下产生旋转，使信号检测器的磁场发生变化。因此在信号 检测器的线圈中感应出交变电压，在经过放大器放大、滤波、整形输出方波信号。此信号 电压的频率与涡轮的转速成正比，即与流体的流量成正比。 本实验采用的是42 0 m h 输出型，工作电压为+ 2 4 v d c ，输出信号为4 - 2 0 m h 或卜5 y ，4 m a 对应涡轮流量传感器零流量，2 0 m a 对应涡轮流量传感器最大流量。根据输出信号范围对应 的流量范围拟合出公式y = 1 3 5 x 一0 7 5 ，可把输出的电压转化成流量。 图37l w 型涡轮流量计图3 8 蓄热罐进出口水温测点布置 3 ) 温度采集仪：如图3 - 6 所示，实验中采用的是日本横河的m x l 0 0 数据采集仪，对 所测的温度进行自动检测与记录，该装置主要由巡检仪主机、子单元、扩展电缆等组成， 通过热电偶终端与子单元连结，就可以将传递出的多点温度的电信号自动地转换并且处 理，直接完成所测温度的数字显示、记录、打印等工作；而且还有一套专用软件，使温度 巡检仪可以直接与电脑相连接，可以保证仪器随时随刻记录下所需要的数据，并且软件可 以将所记录下来的数据格式转化成e x c e l 格式，实验员可以很方便的处理数据。采集器中 规定，对于t 型热电偶，其额定的测温范围是2 0 0 c 4 0 0 ，最大分辨率为0 1 。实验 过程中，设置m x 1 0 0 数据采集器的采集间隔为1s ，并通过网线与p c 机连接，将采集到 第三章实验装置及设备介绍 的信号传递给p c 机。 3 2 温度测点的布置 1 蓄热罐内相变材料的温度：蓄热罐内的热电偶分布如图3 - 9 所示，共布置1 1 根热 电偶，并用铁丝制作了一个热电偶支架，所有热电偶都固定在铁丝支架上，可与相变材料 直接接触。 如图3 - 9 所示，测点0 - 4 为两根相邻的铜管间，同一径向，均匀分布的五个点，主 要为了测量铜管外同一径向的相变材料的温度随距离的变化趋势。测点2 、5 、6 、7 、8 、9 为不同层数不同位置的两根铜管的中心点，主要为分析不同层的铜管外相同距离处的相变 材料的温度分布提供了参考数据。 翌3 1 园召刀墨丕丝銎忽殂幻】9 】81 7 】6 巧1 41 3 】2 1 0 98765 4321 1 0 l3 7 5 6 0 2 一i 9 8 图3 - 9 蓄热罐内热电偶布点图 2 蓄热罐的进出口水温度：蓄热罐的进出水管均为铜管，由于铜有良好的导热性， 因此把热电偶紧贴铜管壁面固定，可测量进出口的水温，误差可忽略不计。如图3 8 所示， 左边的铜管是进水管，右边的是出水管。 3 电加热水箱内的水温：电加热水箱内的水温是通过安装在水箱中的温度传感器测 量。温度传感器的探头放置在水箱内，与水接触，另一端通过控制柜中的a d a m 自控模块 与计算机连接，因此可在计算机上直接读数。在计算机控制程序中，水温的上限设定为8 8 ，当箱内水温超过8 8 c 时，电加热系统将自动断电。 3 3 本实验采用的相变材料 本实验采用的是一种新型的相变材料，主要的热物性参数如下： 1 、相变材料名称为：s x r s 2 、s x r s 常规物理性质： 3 7 第三章实验装置及设备介绍 a 、颜色：天蓝色 b 、气味：无 c 、形态：常温以固态形式存在，类晶态。 d 、密度：2 1 0 0 k g m 3 e 、物理稳定性：常温密闭状态下稳定。 3 、s x r s 常规化学性质： a 、化学稳定性：与铜等常规金属、有机玻璃及塑料不起反应，密闭状态下稳定。 b 、毒性：有毒，不能食用或吸入。 4 、s x r s 热物理性质： a 、熔点和凝固点：7 6 - 7 9 b 、熔化潜热：6 0 0 k j l c 、比热：2 0 5 k j k g k d 、导热系数：1 2 w m k e 、热物理稳定性：相变过程中无