相变蓄热器的特性研究.pdf

同济大学机械工程学院 硕士学位论文 相变蓄热器的特性研究 姓名 陈芬 申请学位级别 硕士 专业 供热供燃气 通风与空调工程 指导教师 于航 20050301 摘要 摘要 近年来 能源的紧缺给中国经济的发展和人们的生活带来了不少问题 同 时并存的环境问题严重影响人们生存的环境 为了促进太阳能等清洁可再生能 源的有效利用 改善人们的生活环境 并达到节能环保的效果 本文对相变蓄 热器的简化模型进行了实验研究和数值模拟 本文选择石蜡作为相变材料 并通过D S C 测试 选择合适的石蜡种类 搭 建了一个实验台 对环形腔体内石蜡的熔化 凝固过程进行了实验分析 根据实 验的物理模型建立相应的数学模型 使用F l u e n t 软件对数学模型进行分析求解 并对计算结果进行分析 对比分析实验数据和计算结果 并进行误差分析 最 后根据研究结果 对相变蓄热器的设计提出建议 并对进一步的工作方向进行 了简要讨论 关键词 相变 石蜡 熔化 凝固 数值模拟 A b s t r a c t A B S T R A C T I nr e c e n ty e a r s t h el a c ko fe n e r g yr e s o u r c e sa f r o st h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h e p e o p l e Sl i v e si nC h i n a M e a n w h i l et h ee n v i r o n m e n t a lp o H u f i o nb r i n g sn e g a t i v ei m p a c t so nt h e p e o p l e s 嚣v i n ge n v 扛o n m c n t T op r o m o t et h ee f f i c i e n t 戳o fs u c hc l e a n r e n e w a b l ee n e r g y r e s o u r c e sa ss o l a re n e r g y t oi m p r o v et h ee n v i r o n m e n to fp e o p l e Sl i v i n ga n dt or e d u c et h ee n e r g y c o n s u m p t i o n t h i ss t u d yf o c u s e sO ne x p e r i m e n t a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h e s i m p l i f i e dm o d e l o ft h ep h a s ec h a n g et h e r m a ls t o r a g eu n i t I I It h i st h e s i s p a r a f f i nw a xi su s e da st h ep h a s ec h a n g em a t e r i a la n di t sp h y s i c a lp r o p e r t i e s a r eo b t a i n e db yt h eD S Ct e s LA ne x p e r i m e n t a ls y s t e mi s 堍逡u pa n dt h ee x p e r i m e n t sa r ed o n e d u r i n gt h em e l t i n ga n ds o l i d i f i c a t i o no ft h ep h a s ec h a n g ee n e r g ys t o r a g ep r o c e s sf o rt h ep a r a f f i n w a xi nv e r t i c a ld o u b l ep i p ec o n f i g u r a t i o n B a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lp h y s i c a lm o d e la m a t h e m a t i cm o d e li ss e tu pa n dt h es o f t w a r eo fF L U E NI N C i su s e dt os o l v et h i sp r o b l e m T h e r e s u l t so fe x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o na I 霉a n a l y z e db yc o m p a r i s o na n dt h ee r r o r sa m o n gt h e ma 心 d i s c u s s e d S o m er e c o m m e n d a t i o n sa r eb r o u g h tf o r w a r do nt h ed e s i g n i n go ft h ep h a s ec h a n g e t h e r m a le n e r g ys t o r a g es y s t e m F i n a l l y ab r i e fd i s c u s s i o ni sp r o p o s e do nf u r t h e rs t u d yi nt h i s 蠢e l d K e yW o r d s p h a s ec h a n g e p a r a f f mw a x m e l t i n g s o l i d i f i c a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目的的前 提下 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动 学位论文作者签名 彰托券 少叮年弓月c 彦日 经指导教师同意 本学位论文属于保密 在 矽F 年解密后适用 本授权书 指导教师 秒L 论文作者签名 赫 多帕厂年二 月馏日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 签名 麟 劫哆年3 月 占日 第一章绪论 第一章绪论 能源是国民经济 国家安全和实现社会可持续发展的重要物质基础 科学技 术的发展 国民经济的发展 国防建设的加强 社会生活质量的提高 人类文明 的进步等等 都必须以充足的能源供应为基础 本世纪7 0 年代初与8 0 年代初先后 爆发的两次世界性石油危机以及9 0 年代的海湾战争 大大增加了人们对能源问题 重要性的认识 人类生存与发展离不开能源 但能源的大量开发与利用 又是造 成大气和其他类型环境污染与生态破坏的主要因素 能源的可持续性已经是 人 类面临的紧迫议题之一 因此 如何在开发和使用能源的同时 保护好人类赖 以生存的地球的环境与生态 成为一个关系人类社会可持续发展的重大问题 成 为一个关系世界各国的全球性重大问题 1 1中国能源发展现状 能源既是重要的必不可少的经济发展和社会生活的物质前提 又是现实的重 要污染来源 中国目前已是世界贸易组织 W T O 的成员国之一 正处于经济高 速发展 全面建设小康社会的时期 随着中国2 0 0 8 年北京奥运会的举行以及2 0 1 0 年上海世博会的召开 中国走向世界 融入世界已成为不可扭转的时代趋势 而 目前能源问题及能源消耗带来的环境问题制约着我国经济社会健康 持续的向前 发展 也制约着我国融入世界的深度和广度 1 1 1我国能源供应紧张 最近2 0 年来 中国经济迅速发展 人民生活富裕 中国国内生产总值1 9 7 9 年到1 9 9 9 年期间年平均增长9 6 然而我国正处于工业化过程中 社会经济发展 对能源的依赖要比发达国家大得多 2 0 0 1 年我国能源费用支出达1 2 5 万亿元人民 币 占G D P 的1 3 按照目前的能源消耗方式预测 在2 0 2 0 年我国需要一次能源 3 2 亿吨标准煤以上 能源消费L 卜 2 0 0 0 年增长2 5 倍多 1 9 8 0 年以来 我国的能源总消耗量每年增长约5 是世界平均增长率的近3 倍 我国人均能源可采储量远低于世界平均水平 人均水资源为世界平均水平的 1 4 石油 天然气 铜 铝等重要矿产资源的人均储量 占世界平均水平最低 者为1 2 5 最高者也不过1 4 除煤炭资源尚能满足2 l 世纪的需求外 石油 天 然气和铀矿资源只能维持至U 2 0 1 0 年的能源消费增长 中国的能源储量与未来几十 第一章绪论 年的发展需求之间已经存在一个巨大的缺口 而且这个缺口将越来越大 有专家 预测我国能源的缺口量 在2 1 世纪初期将超过l 亿吨标准煤 2 0 3 0 年约为2 5 亿吨 标准煤 至U 2 0 5 0 年约为4 6 亿吨标准煤 而在石油需求上 我国今后新增的石油 需求量几乎要全部依靠进口 2 0 0 3 年 进口原油9 0 0 0 多万吨 而2 0 2 0 年将达到2 亿吨 差不多是需求的一半 长此以往 庞大的能源消耗不仅会对我国能源部门 产生巨大压力 而且也将成为工商企业越来越重的成本负担 当前 我国能源供求紧张主要表现在电力上 有关数据显示 2 0 0 0 年至2 0 0 2 年 全国用电量增长速度分别达N 1 1 3 9 1 1 6 2 0 0 3 年 全国用电量达1 8 9 1 0 亿千瓦时 比上年增长1 5 8 有2 1 个省市拉闸限电 2 0 0 4 年上半年 我国电力 需求继续高速增长 l 4 月份全社会用电量达6 5 0 0 亿千瓦时 同比增长1 6 1 用电紧张进一步加剧 拉闸限电停工停产 给中国的经济带来了巨大的损失 同 时也制约了中国经济的高速发展 1 1 2 能源的使用引发严重的环境问题 能源的大量消耗必然会引起温室气体排放量的大量增加 中国能源产业对环 境造成的危害也是很严重的 气候变暖已对我国的生态系统以及社会经济系统产 生明显影响 目前我国C 0 2 排放量已位居世界第二 C H 4 N 2 0 等温室气体的排 放量也居世界前列 预测表明 到2 0 2 5 2 0 3 0 年间 我国的C 0 2 排放总量很可能 超过美国 居世界第一位 目前低于世界平均水平的我国人均C 0 2 排放量可能达 到世界平均水平 目前中国许多城市的空气质量状况较差 严重威胁着城市的发 展和人们的健康 据全国3 2 2 个城市空气质量监测统计结果 大气中的二氧化硫 表1 1 中国碳排放持续增长 单位 百万吨碳 n 1 8 9 年9 0 年9 1 年9 2 年9 3 年9 4 年9 5 年9 6 年 6 1 0 26 1 0 36 3 8 76 5 9 27 1 1 87 6 8 07 8 7 67 9 3 9 表1 2 中国城市 空气污染对健康的影响 城市 人口 夭折慢性支气管炎呼吸道病症 x 百万人 1 0 0 0 人 1 0 0 0 人 x1 0 0 0 人 北京7 01 0 38 12 7 0 重庆4 06 34 4 1 7 2 哈尔滨 3 14 0 3 4 1 0 2 济南 2 55 O 3 8 1 3 5 上海9 03 82 81 0 5 沈阳4 0 4 9 3 8 1 2 9 天津5 0 5 7 4 3 1 5 l 两安3 0 4 1 3 51 0 6 2 第一章绪论 和氮氧化合物含量超过国家空气质量二级标准的城市有2 3 3 个 占统计城市数的 7 2 4 据统计酸雨影响了中国三分之一以上的土地 经济损失高达国内生产总 值的2 1 2 蓄能问题的提出 为保持我国国民经济持续 快速 稳定 健康的发展 保持良好的经济增长 势头 抑制日益恶化的环境污染 走可持续发展的道路 必须解决好我国的能源 可持续发展战略问题 面对能源的发展现状 一方面我们必须从现在开始寻找新一代的替代能源 另一方面 在现有的资源配置条件下 必须采用先进技术 推进节能措施 加速 可再生能源开发利用以及依靠市场力量优化资源配置 太阳能作为一种可再生能源 资源丰富 清洁并且无污染性 如何很好的利 用它 正受到世界的关注 但是太阳辐射热量有季节 昼夜的规律变化 同时还 受到阴晴云雨等随机因素的强烈影响 故太阳辐射热量具有很大的不稳定性 要 利用太阳能 必须要解决太阳能的间歇性和不可靠性问题 在太阳能利用系统中 设置蓄热装置是解决上述问题的最有效的方法之一 另外 为了充分利用电网低谷电量和控制高峰负荷 我国政府也制订了相关 的政策 鼓励低谷蓄能用电 以减轻高峰负荷对电网的冲击 随着能源问题越来越为人们所关注 蓄能研究的重要性也日益突出 蓄能可 以缓解能量供求双方在时间 强度以及空间上的不匹配 是合理利用能源及减轻 环境污染的有效途径 也是广义热能系统优化运行的重要手段 而相变蓄能以蓄 能密度高 易与运行系统匹配 易控制等优点 日益成为蓄能系统的首选方式 近年来 相变蓄能系统已经越来越广泛地应用于建筑节能 蓄冷空调和一些余热 回收系统 而相变蓄能换热器的形式也随着实际需要越来越多 本文所要研究的课题一一相变蓄能技术 就是在这样的背景下诞生并发展起 来的 1 3 蓄能技术 热能储存虽然很早就应用于建筑设计和采暖系统 但直到1 9 世纪中期才开始 用于工业 最初人们对热能储存感兴趣 主要是在供热和发电方面需要节约和替 代石油制品 现在 热能储存技术在工程应用中正发挥着愈来愈重要的作用 在 工业应用中 废气 废固体热回收 喷射泵 蓄能锅炉 工业蒸汽 管网蓄能 第一章绪论 电厂蓄能和机车蓄能等领域都有很成功的应用 在房间取暖和降温方面 采暖锅 炉 电力采暖 太阳能 热泵 土层蓄能 动力站和废物焚烧站热水系统都是非 常有价值的蓄能系统 在空间技术领域中 高温相变蓄能一直是空间太阳能热动 力发电系统的关键技术之一 总之 蓄能无论在工业 商业还是民用方面 都有 着及其深远的研究价值和无比广阔的应用前景 现代基本的蓄能技术分为三种 显热蓄能 相变蓄能和化学反应蓄能 1 3 1显热蓄能 显热蓄能就是把物质因温度变化而产生的显热来贮存 显热蓄能时 蓄能材 料在蓄存和释放热能时 只有材料自身发生温度的变化 这种蓄能方式简单 成 本低 是目前较成熟的蓄能技术 但其储能密度低 储热装置体积庞大 在释放 热能时温度持续变化 要想温度定值输出必须采用温控装置 而且该蓄热方式要 求蓄热介质有较高的比热 长期的热循环稳定性 与污染物较好的共存性等 根 据蓄能介质的不同 可以分为液体介质蓄热和固体介质蓄热 1 3 1 1 液体介质蓄能 水蓄能的蓄热性能最佳 而且水的资源丰富 价格便宜 粘度很低 无腐蚀 性 几乎不需要花费代价 在工业上应用极为广泛 但其缺点也十分明显 因为 水的蒸汽压力较高 在高温应用中必须为容器的绝热和耐压花费大量成本 盐水蓄能的使用 目前集中研究得比较透彻的是对非对流梯度型盐水太阳 池 常用的化学无机盐为N a a 和M g C l 2 盐水池底部涂成黑色以吸收太阳辐射 太阳池为低温环境下 5 0 9 5 C 采集和贮存太阳能提供了一种简单实惠的方法 在空间冷却和加热 工业过程加热和电厂热能等领域有着极大的应用潜力 目前 最大的太阳池在美国德州一个实验室 其运行温度高于9 0 C 日产盐水量达8 0 0 0 0 加仑 水的常见蓄能替代物还有石油提纯油和熔盐 就蓄能能力而言 它们也只有 水的2 5 4 0 但较低的蒸汽压力和超过3 0 0 C 的工作温度使得它们也有着较高的 应用价值 为了安全和稳定起见 油的工作温度一般不宜超过3 5 0 C 一些无机 盐的熔融混合物可在高温8 0 0 左右工作 但其强烈的腐蚀性应该给予足够的考 虑 液体金属也可以用于蓄能 1 3 1 2 固体介质蓄能 与液体蓄能相比 固体蓄能的优势在于 蓄能物质不会发生凝固或沸腾之类 的相变现象 消除了液体蓄能中诸如蒸汽压力 易燃易爆 腐蚀性等不利因素 消除了容器泄漏的可能 4 第一章绪论 石块 金属 混凝土 砂子和砖块等均可用于低温或高温蓄能 蓄能能力最 好的固体物质当属生铁 但相对于石块 砖瓦而言 较高的成本是其难以得到广 泛推广的原因 岩石是除水以外应用最广的显热蓄热物质 岩石成本低廉 易于取得 虽然 岩石的比热只有水的四分之一 但密度大约是水的两倍半 在体积相同的时候 岩石的蓄热能力大约是水的一半多一些 粘土的热容量相对岩石来说比较高 而其热传导系数比岩石低 因此较适合 于蓄热 但是 粘土蓄热会降低土壤的抗剪强度 从而可能产生地面下沉 并且 蓄热温度一般要限制在2 0 4 0 之间 所以 粘土蓄热属于低温蓄热 需要热泵 来提升温度 1 3 2 相变蓄能 相变蓄能就是利用蓄能介质在发生相变时吸收或者放出热量来蓄存和释放 热量 物质的潜热要比显热大得多 因此蓄能装置体积可以大为缩小 这意味着 降低设备投资费用 物质的相变过程在一定温度下进行 变化范围极小 这个特 性使得相变蓄能器能够保持基本恒定的热力效率和供热能力 相变蓄能有固一固相变 固一液相变 液一汽相变和固一汽相变四种相变形 式 在这四种相变过程中 相变潜热逐渐增大 液一汽相变和固一汽相变虽然可 以蓄存较多热量 但因气体占有的体积大 使得体系增大 设各复杂 因此 尽 管这两类相变过程中相变潜热很大 但在实际应用中很少被选用 与此相反 固 一液相变和固一固相变体积变化小 对容器要求低 目前的研究和利用最为广泛 1 3 3 化学反应蓄能 化学反应蓄热是利用蓄热材料相互接触时发生可逆的化学反应来蓄热和放 热 例如 正反应吸热 热被蓄存起来 逆反应放热 则热被释放出去 化学蓄 热系统具有不少潜在的优点 如 能量密度高 反应物可以在环境温度下存放 有可能将热能存贮很长的时间 也可能在日照充足的地区生产可运输的 燃料 供其他地方使用 但是这种蓄热系统的缺点是 与显热式和潜热式蓄热系统相比 系统很复杂 价格也高 目前仅在太阳能利用研究领域受到重视 还没有得到广 泛的工业应用 1 3 4 显热蓄能和相变蓄能的特性对比 表1 3 列出了 些典型的蓄能材料的特性参数 还对比了当各种材料均蓄能 5 第一章绪论 1 0 6 k J 时所需蓄能材料的量妲1 表中 对水和石砾 考察它们的温度升高1 5 时 蓄能1 0 6 k J 所需要的量 而相变蓄能部分 只考虑潜热 蓄能物质的显热未计入 蓄能总量 从中可以很明显地看出 采用相变蓄能可以大大降低使用相变材料的 量 也可以大幅度的减少换热器的体积 所以说相变蓄能技术是将来蓄能技术的 主要研究方向 相变蓄能技术的研究和应用还有巨大的潜力 这也是本文选择相 变蓄能作为研究课题的原因之一 表1 3 各种蓄能物质对比 幻 蓄能物质 特性 显热蓄能相变蓄能 石砾水有机物无机物 相变潜热 1 9 02 3 0 k J k g 比热 1 O4 22 O2 O k J k g 密度 k g m 3 2 2 4 0 1 0 0 08 0 01 6 0 0 所需物质质量 6 7 0 0 01 6 0 0 05 3 0 04 3 5 0 k g 1 0 6 k j 相对质量 1 541 2 51 O 所需物质体积 m 3 1 0 6 1 0 3 0 1 6 6 6 2 7 相对体积1 162 51 0 蓄能E 1 临 3 0 0 k W h 温升z T 1 5 K 1 4 相变蓄能 任何一个相变蓄能系统都应该包括以下三种基本组件 适用于一定温度范围的相变蓄能物质 容纳相变材料的容器 足够的换热表面以实现以下的热量传递 热源一 P C M 一 热阱 因此 相变蓄能的问题可以分为相变蓄能材料和换热器两方面 1 4 1相变材料的分类 相变材料大致可分为三类 无机相交材料 有机相变材料及混合相变材料 6 第一章绪论 1 4 1 1 无机相变材料 无机相变材料包括结晶水合盐 熔融盐 金属合金和其它无机物 无机相变 材料有较大的熔解热和固定的熔点 是中低温相变材料中重要的一类 最典型的 是结晶水合盐类 这类材料具有熔解热大 导热系数高 相变时体积小等优点 但是这类材料易出现 过冷 和 相分离 现象 导致蓄热能力下降 而且与金 属储存容器不相容 降低过冷度的方法是添加微粒结构与盐类结晶物相类似的成 核剂和搅拌 解决析出的办法是添加增稠剂 加晶体结构改变剂 搅拌 1 4 1 2 有机相变材料 有机相变材料包括石蜡 脂肪酸 脂 乙醇 乙二醇和其它有机物 有机相 变材料具有固体成型好 不易发生相分离和过冷现象 腐蚀性小 性能稳定等优 点 但是这类材料导热系数小 为了改善其导热性能 常在其中加入金属网格 金属粉末 1 4 1 3 混合相变材料 混合相变材料主要是有机和无机共熔相变材料的混合物 有机无机共熔混合 物是种类和应用范围最广的一类相变材料 将几种有机物配合成二元或多元相变 材料 也可以将有机物与无机物复合 形成复合相变材料 从而得到合适的相变 温度及相变热 以补充有机和无机相变材料的不足 其相变温度从1 4 0 6 7 0 可供选择的相变材料达四千三百余种 1 4 2 相变材料的选择原则 选择合适的相变材料是设计开发高效相变蓄能系统的必要保障 作为相变蓄 能系统的相变材料 应满足以下性能要求 合适的相变温度 较大的相变潜热 较大的导热率 在相变过程中不发生熔析现象和化学成分变化 能在恒定的温度 范围 下循环相变 过冷度小 性能长期稳定 对环境和人畜无害 对容器材料无腐蚀性 不容易燃烧 较快的结晶速度和晶体生长速度 蒸汽压低 体积膨胀率小 密度大 原料来源丰富 价格便宜 基于以上原则 可以结合具体应用条件选择或者自行配制合适的相变材料 但是 完全满足以上条件的理想相变材料是很难找到的 所以研究合成新型的相 变材料和探讨提高现有相变材料性能的方法具有重要意义 7 第一章绪论 1 4 3 相变蓄能换热器 相变蓄能换热器与普通的换热器相比 其突出的特点是换热器中布置流体管 道的同时需要布置相变材料 相变传热中 换热器的工作原理是 热量从热源传 递到相变材料 再从相变材料传递至热阱 相变传热中 换热器的热效率对于其蓄能和散热过程中的内部温度分布有着 至关重要的影响 一般说来 相变蓄能物质的导热系数都比较低 这就产生了一 个不可避免的问题 即热量补偿循环问题 一种有效的解决方案是使用翅片管 相对于光管而言有以下优点 增加传热面积 强化传热 抵消固体P C M 的初始 过冷 1 4 4 相变蓄能的研究现状 近年来 随着人们节能和环保意识地不断增强 相变蓄能应用日益广泛 如 太空太阳能动态发电系统 D S P 蓄热 地面太阳能的直接热利用 建筑物围护 结构蓄热 转移电力峰值负荷平衡电力应用的空调蓄能和工业余热废热回收系统 蓄能 其次还有纺织品中的调温及相变日用生活品 目前 相变蓄能研究主要集中在以下几个方面 含相变材料的建筑材料对建筑物热性能的影响 包括房间采暖 降温 相变材料蓄能能力的再生等 相变材料熔化和凝固过程的实验研究和数值模拟 相变材料的组成 蓄热容量随热循环的变化及存储设备的理论研究 1 4 4 1 相变蓄能实验及应用研究现状 1 在相变材料的研发及应用方面 美 日 德 法等国处于领先地位 我国贮 能相变材料的理论和应用研究与发达国家相比还较薄弱 我国是在8 0 年代初开 始研究蓄热材料的 早期主要研究是针对相变蓄热材料中的无机水合盐 7 0 年代早期 日本三菱电子公司和东京电力公司联合进行了用于采暖和制 冷系统的相变材料的研究 1 9 7 9 年 K r i c h e l 绘制了大量的P C M s 的物性图表 他认为石蜡 水合盐和 包合盐是1 0 0 度以下蓄能相变材料的最佳候选材料 1 9 8 2 年 S m i t h 和K o c h 对带有翅片的换热器表面的凝固进行了研究 美国 研制成功一种用N a 2 5 0 4 1 0 H 2 0 共熔混合物做蓄热芯料的太阳能建筑板 并在麻 省理工学院建筑系实验楼进行了实验性应用 1 9 8 3 年 N a r i a t e l e s 博士对蓄热材料N a 2 S 0 4 H 2 0 的相变材料寿命实验最多 达1 0 0 0 次 预测该材料可相变2 0 0 0 次 B h a t 对不同的低温蓄热材料进行了详 8 第一章绪论 细研究 1 9 8 3 年 华中师范大学阮德水等人对N a 2 1 0 4 n 2 0 和N a C H 3 C O O 3 H 2 0 的成 核作用进行了系统研究 较好地解决了无机水合盐的过冷问题 1 9 8 4 年 河北省科学院能源研究所唐钰成等人对相变蓄热材料进行了量热 研究 并研制和试验了太阳房相变蓄热器 1 9 8 7 年 河北省安国县设计建造了一座农用太阳能温室 内部设置了用相 变贮热材料制成的潜热蓄热增温器 1 9 8 7 年 S t e p h e n B M a r k s 研究稠化芒硝晶粒大小对蓄热容量的影响 C H T p y w e b c k n m 等人得出结构材料和蓄热介质相容性的初步结果 1 9 9 0 年 杭州大学化学系孙鑫泉等人对N a 2 S 0 4 1 0 H 2 0 体系的潜热蓄热及其 融解行为 并对熔化热的测定技术及计算公式进行了研究 1 9 9 1 年 T a k a h a s h i 等人对高密度结晶聚乙烯的颗粒稳定性进行试验研究 最终得出采用等离子体轰击方法不仅可以使其形状稳定 而且不影响其潜热和结 晶性质 1 9 9 2 年 E K a n r a m e n 研究了一种熔化温度可调的有机相变蓄热材料系统 1 9 9 2 年 清华大学阮德水等人对相变蓄热材料在太阳房中的应用进行了基 础性研究 1 9 9 6 年 德国莱比锡材料研究与测试中心在每平方米的膜材料中掺入囊形 相变物质 膜材料的综合保温能力大约增加4 倍 1 9 9 9 年 俄亥俄州戴顿大学研究所研制成功一种新型建筑材料一固液共晶 相变材料 美国管道系统公司应用C a C l 2 6 H 2 0 作为相变材料制成贮热管来贮存 太阳能和回收工业中的余热 目前 美国D a y t o n 大学已开发出一系列晶状烷烃相变材料 该系列材料由 石油精炼副产品组成 现已投放美 日的商品市场 我国己投入使用的以相变材 料为贮能工质的产品主要有清爽床垫 凉枕 温控防寒保暖鞋垫和鞋 它们所采 用的相变物质一般是结晶水合物 例如 芒硝 六水氯化钙等 1 4 4 2 相变的数值分析研究现状 相变问题的数值模拟在国外的研究较多 这几年来 国内的研究也渐渐增多 陶文铨n 1 9 8 8 使用不动界面法解决了一个高温柱体穿过初温处于熔点温 度的固体区域熔化问题 该文较好地处理了固一液相变密度差和液相区自然对流 的问题 M i l l s n 羽 19 9 2 使用中心差分和迎风差分两种格式成功地解决了一维熔化 问题 陈文振 程尚模n 3 J 4 1 1 9 9 5 使用有限元法 进行了水平椭圆管 矩形管内 9 第一章绪论 相变材料接触熔化的分析 求得了各自管内固体熔化速度 熔化率及平均努谢尔 特数 并讨论了其影响因素 吴广华 陈则韶n 5 1 1 9 9 5 发展了一种基于焓模型的数值方法 对于较为棘 手的腔体内自然对流 导热耦合的二维相变问题进行了计算 为研究和设计相变 贮热期提供了理论支持 C o s t a 刚 1 9 9 6 综合热焓法和全隐有限差分法 研究了有 无翅片强化换热 的相变蓄能系统的热力特性 V R V o l l e r 1 9 9 7 对相变问题的数值分析作了十分详细的回顾 孔详谦n 8 1 1 9 9 8 提出 显热熔法 的有限元方法用于相变导热分析 并对 能量方程中的相变潜热项提出了两种解决方案 作为附加比热和作为附加源项 L e w i n 们 1 9 9 8 对一成形模具的凝固过程使用G a l e r k i n 有限元法作了详细的分 析 文中离散了不可压缩流体的N S 方程和能量方程 并使用 假浓缩法 跟 踪相变界面 H o s e o nY o o 啪1 1 9 9 9 研究了大平板上的重力引发的紧密接触非稳态熔化问 题的近似分析解 H o s e o n 分析了等温和等热流两种边界条件下 固相区的切向相 对移动 固液两相的密度差在模型中予以了考虑 最后对问题作了无量纲化和归 一化分析 B o g a d n 乜订 1 9 9 9 研究了纵向肋化热管内的相变蓄能系统凝固过程的数学 模型 并分析了垂直于管壁的径向传热和垂直于肋片的轴向传热 在分析沿肋片 高度方向的温度分布时 使用了两种近似估计 抛物线分析和指数曲线分布 康艳兵 1 9 9 9 等建立了一种相变蓄能同心套管传热模型 分析得出在相 变过程中 相变材料中的流体温度和相变界面随时间和轴向位置的变化规律 模 型考虑了相变材料的导热热阻和有效面积随时间和位置的变化 适用于流体入口 温度和流量随时间变化的情况 王剑锋瞳3 1 2 0 0 0 建立了一种组合式相变材料蓄能系统的物理模型 在忽略 显热的条件下研究了关于采用组合相变材料储热的理论构想 该文创造性地提出 了储热相变过程中具有恒定传热热阻的理想 均匀等速相变传热 的理论设想 并 开展了组合相变材料储热的实验研究 1 5 本文研究内容 本文的最初设想是 设计一种由多根换热管组成的管束作为换热装置的环形 相变蓄热器 利用太阳能这种清洁可再生能源 改善人们的生活环境 并达到节 能环保的效果 对于环形腔内的熔化和凝固问题 国内在理论和实验研究两方面 1 0 第一章绪论 的报道都不多 本文将原有模型简化 研究了环形腔内相变介质的熔化和凝固问 题 本文主要在实验和数值计算方面展开研究工作 具体工作如下 1 选择石蜡作为相变材料 并通过D S C 测试 选择合适的石蜡种类 2 设计和搭建一个实验台 3 进行相变材料熔化和凝固的实验 并对实验腔体内的温度场数据进行跟踪 采集 4 处理分析原始数据 并对实验结果进行分析和比较 5 根据实验的物理模型建立相应的数学模型 使用F l u e n t 软件对数学模型进 行分析求解 并对计算结果进行分析 6 对比分析实验数据和计算结果 并进行误差分析 7 根据研究的结果 对相变蓄热器的设计提出建议 第一章绪论 参考文献 1 张正敏 王庆一 庄幸 D r J a nH a m r i n S e t h B r a u c h 中国可再生能源发展 潜力与挑 战 9 1 1 2 S M H a h a n i n R e v i e wo nS u s t a i n a b l eT h e r m a lE n e r g yS t o r a g eT e c h n o l o g i e s P a r tl H e a t S t o r a g eM a t e r i a l sa n dT e c h n i q u e sE n e r g yC o v e r s M g m tV 0 1 3 9 N o 1 1 I V l l 2 7 1 1 3 8 1 9 9 8 3 R V E L R A J R V S E E N l R A J B H A F N E R C F A B E Ra n dI C S C H W A R Z E R E x p e r i m e n t a l a n a l y s i sn u m e r i c a lm o d e l i n go fi n w a r ds o l i d i f i c a t i o no naf i n e rv e r t i c a lt u b ef o ral a t e n th e a t s t o r a g eu n i t S o l a rE n e r g y1 9 9 7 V 0 1 6 0 N o 5 P P 2 8 1 2 9 0 4 M E H M E TE S E N A Y D I ND U R M U Sa n dA Y L AD U R M U S G e o m e t r i cd e s i g no f s o l a r a i d e dl a t e n th e a ts t o r ed e p e n d i n go nv a r i o u sp a r a m e t e r sa n dp h a s ec h a n g em a t e r i a l s S o l a rE n e r g y1 9 9 8 V 0 1 6 2 N 0 1 p p 1 9 2 8 5 A A G h o n e i m S A K L E I N a n dJ A D U F F I E A n a l y s i so fc o l l e c t o r s t o r a g eb u i l d i n gw a l l s u s i n gp h a s e c h a n g em a t e r i a l S o l a rE n e r g y1 9 9 1 V 0 1 4 7 N 0 3 P P 2 3 7 2 4 2 f 6 S O M AD A Sa n dT A P A SK U M A RD U T r A M a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n de x p e r i m e n t a l s t u d i e so ns o l a r e n e r g ys t o r a g e i na p h a s ec h a n g em a t e r i a l S o l a re n e r g y V 0 1 N o 5 p p 3 0 5 3 1 2 1 9 9 3 7 谭羽非 新型相变蓄能墙体材料的应用和探讨 新型建筑材料 2 0 0 3 2 3 5 8 陈爱英 汪学英 曹学增 相变储能材料的研究进展与应用 材料导报 2 0 0 3 5 4 2 4 4 9 张寅平 胡汉平 孔祥冬 苏跃红 相变贮能一理论和应用 合肥 中国科学技术大学 出版社 1 9 9 6 1 4 1 0 A A S a m a r s k i i E N V a b i s h c h e v i c h O E l l i e v A G C h u r b a n o y N u m e r i c a l S i m u l a t i o no f C o n v e c t i o n d i f f u s i o nP h a s eC h a n g eV 0 1 3 6 N o 1 7 p p 4 0 9 5 4 1 0 6 1 9 9 3 1 1 陶文铨编著 数值传热学 西安 西安交通大学出版社 1 9 9 5 1 2 1 2 M i l l s A n t h o n y H e a tT r a n s f e r p p l 8 3 2 2 3 1 9 9 2 1 3 陈文振 程尚模 水平椭圆管内相变材料接触融化的分析 太阳能学报 1 9 9 5 1 6 1 6 8 7 1 1 4 陈文振 程尚模 矩形腔内相变材料接触融化的分析 太阳能学报 1 9 9 3 7 4 3 2 0 2 2 0 8 1 5 吴广华 伴有自然对流的二维腔体相变传热问题的数值模拟 中国科学技术大学学士论 文 1 9 9 5 1 6 M C o s t a D B u d d h i A O l i v a N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fah e a tt h e r m a le n e r g ys t o r a g es y s t e m w i t he n h a n c e dh e a tc o n d u c t i o n E n e r g yc o n v e r s i o n M g m t V 0 1 3 9 N o 3 4 p p 3 1 9 3 3 0 1 9 9 8 1 7 V R V o l l e r A no v e r v i e wo fn u m e r i c a lm e t h o d sf o rs o l v i n gp h a s ep r o b l e m s A d v a n c e si n n u m e r i c a lh e a tt r a n s f e rV o l u m e I E d i t e d b yW J M i n k o w y c z a n d E M S p a r r o w p p 3 4 1 3 8 0 1 9 9 7 1 8 孔祥谦 有限单元法在传热学中的应用 第三版 北京 科学技术出版社 1 9 9 8 9 1 9 K R a v i n d r a n R W L e w i s F i n i t ee l e m e n tm o d e l i n go fs o l i d i f i c a t i o ne f f e c t sm o u l df i l l i n g F i n i t ee l e m e n ti na n a l y s i sa n dd e s i g n3 1p p 9 9 1 1 6 1 9 9 8 2 0 H o s e o nY o o A n a l y t i c a ls o l u t i o n st o t h eu n s t e a d yc l o s e c o n t a c tm e l t i n go naf l a t p l a t e I n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fh e a ta n dm a s st r a n s f e r4 3 p p l 4 5 7 1 4 6 7 2 0 0 0 1 2 羔二皇董堡 2 1 B o g d a nH o r b a n i u c G h e o r g h eD u m i t r a s c u A r i s t o t e lP o p c s c u M a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rt h e s t u d yo f l i d i f i c a t i o nw i t I l i nal o n g i t u d i n a l l yf i n n e dh e a tp i p el a t e n th e a tt h e r m a ls t o 髓伊 s y s t e m E n e r g yc o n v e 巧i o na n dm a n a g e m e n t4 0p p l 7 6 5 1 7 7 4 1 9 9 9 2 2 1 康艳兵 张寅平 朱颖心 江亿 相变蓄热同心套管传热模型和性能分析 太阳能学报 N o 1 1 9 9 9 2 3 1 王剑锋 组合相变材料储热的理论与实验研究 浙江大学博士论文 2 0 0 0 1 3 第二章实验系统和研究方法 法 第二章实验系统和研究方法 本章主要介绍了本文实验中相变材料的选取 实验系统装置及实验的研究方 2 1相变材料的选择 选择合适的相变材料是设计开发高效相变蓄能系统的前提条件 2 1 1 相变材料的筛选方法 目前 对于相变材料的筛选方法 主要有两种 第一种方法是利用现有的文献数据 对相变材料进行分类和汇总 然后根 据第一章中描述的相变材料筛选原则 并结合所选相变材料的使用环境 最终决 定使用的相变物质 利用这种方法得到的相变材料一般都为纯物质 具有稳定的 相变温度和相变潜热 因此 它具有相变可逆性好 体系成份均一 有利封装 等特点 但同时 它也存在相变点单一 应用范围窄 可供选择的匹配物少等 缺点 第二种研究方法是首先将所选的合适纯物质混合 对具有低共融混合物相图 进行测算 从而得到具有相变点可调的相变物质 这样 拓展了相变物质的应用 范围 克服了相变点单一的缺点 本文实验中 采用第一种方法选取实验所需的相变材料 目前在相变蓄能系 统中用得很多的是水合盐 但是水合盐熔化不均匀 凝固时易发生过冷析出现象 和金属容器不相容 使得蓄能系统使用寿命较短 使用费用和维护费用较高 因 此本文实验选用了一种有机相变材料一一石蜡作为实验材料 2 1 2 石蜡的特点 1 1 石蜡广泛应用于化工 轻工 纺织 农业 日用品等各行业 常温下为无色 或淡黄色固体 是石油炼制过程中主要产品之一 它主要由正构烷烃组成 是固 体石蜡烃混合物 主要含直链碳氢化合物 仅少量含支链 石蜡可用C I l H 2 2 表 示其组成 碳原子数一般为1 6 3 2 分子量3 0 0 5 4 0 馏分范围3 5 0 5 0 0 密 度通常为0 8 8 0 0 9 1 5 k g L 石蜡的熔点和熔解热随分子量增加而增加 含l 4 个碳原子的直链烷烃在室温下是气体 含5 1 6 个碳原子的是液体 含1 6 个碳原 1 4 第二章实验系统和研究方法 子以上的是固体 石蜡有二种同素异形变体 它们的物理性质和晶体结构不同 第一种变体在 高温存在 晶体呈针状 是软的 有塑性 第二种是低温变体 在熔点以下晶体 呈片状 硬而脆 其中 从一种晶形转变到另一种晶形是可逆的 作为相变材料 石蜡有以下优点 有较宽广的熔化温度范围 可选择的熔融温度范围从6 8 0 C 有较高的熔化潜热 熔解热从1 4 6 一2 6 8 K J k g 相变比较迅速 化学性质稳定 无毒 无腐蚀性 可自身成核 过冷可忽略 可以和金属容器共存 价廉 资源丰富 耐用 有无限长的冷热循环寿命 它们的缺点是 较低的热导 相变时有较大的体积变化 对塑料容器不适合 有相当的可燃性 但是 这些缺点都可以用相应的办法克服 如导热低可以使用扩大换热面积 使用翅片管等技术 体积变化大可以在装料时只装入较少的体积 针对可燃性可 以加一些阻燃剂 2 1 3 石蜡性质的测试 由于蓄能使用的石蜡都是多种炭氢化合物的混合物 其熔点为一温度区间而 不是一个固定的温度 因此其起始相变点难以确定 由于石蜡的不纯性 而且对 于定量分析的情形 厂家给出的数据一般不具备实用价值 所以必须实测石蜡的 各种热物性参数 目前对相变材料热物性参