【《壳管式相变储能换热器传热性能及建模分析》11000字】

第一章绪论社会的发展和人类正常的生活水平都直接或间接受能源危机的影响。在我国可持续发展的国情下，能源问题以及上升到关乎与国家发展及国家地位的重要问题了[1]。所以合理的开发并利用能源就变得非常的重要，尤其是太阳能的利用。太阳能的聚热、储热到放热的使用过程中储热占到了非常重要的地位，能够对能量的供需求关系进行有效的缓解[2]。1.1课题背景及研究的意义能源[3]是大自然赐予我们的宝贵财富。它以各种形式存在于我们周围，通过工业生产和加工成为我们日常生活中的各种必需材料。人类社会的发展实际上就是能源开发利用的过程。从化石能源的诞生到新能源的开发，人类社会的发展与能源的发展息息相关。传统能源的不合理利用和急剧短缺直接制约人类的生存和发展。所以从我国可的持续发展战略的角度来看，合理并高效的利用传统能源和开发新型能源显得由为关键。如今有风能、太阳能和地热能等新型能源已比较普遍的使用了，而其中太阳能是清洁能源利用的主力军，因为太阳能具有覆盖面积广，环保和利用简洁等优点。光热利用和光电利用是太阳能主要利用方式。这两种利用方式其原理都是利用太阳能发热，其中光电利用是将太阳能聚集的热量用于发电然后再供居民使用，而光热利用则是将太阳能聚集的热量直接用与供暖、海湖淡化等方面。在光电利用中，因为天气不确定行和昼夜的变化，太阳能会有间断性这也是太阳能的主要缺点之一，这会导致太阳能发的电在并网的过程中不稳定，乃至还会影响原来的电力系统。在光热利用中，首先是使用太阳能聚热装置将太阳能集聚起来，然后通过传热介质将集聚起来的热量传输到储热介质中，等需要使用能量的时候再将储热介质中的热量释放出来。因此光热利用可以有效的缓解太阳能不间断性这一主要缺点，并改善了供求之间的矛盾。在许多实际的工程中，蓄热系统也有很丰富的应用，比如回收工业余热，空调的供暖系统，这些都可以有效的缓解电网的负荷。显然，蓄热装置在整个太阳能的光热利用过程中是不可或缺的一部分。1.2国内外研究现状1.2.1相变材料的分类相变蓄热材料是相变蓄热的主要部分。相变储热材料按其相变方式可分为固-固相变储热材料和固-液相变储热材料，按其化学性质可分为有机相变储热材料和无机相变储热材料，按所需温度可分为高温储热材料和中低温储热材料[4]。图1.1为相变蓄热材料分类图。图1.1相变蓄热材料分类图1.2.2国外相变材料的研究现状相变储能技术的基础就是相变蓄热材料，相变材料储热密度大、放热效率高、吸放热过程温度较恒定。现在应用研究前景广，研究重点已经放在探索出蓄热性能强且性价比高的相变材料上。在相变储能技术的研究领域，欧美国家较我国研究较早，在相变材料的物性研究、储热应用等方面的研究要略领先我国。RajatSaxena[5]为减少冷负荷，他将建筑砖块与相变材料进行了结合。将单层和双层的PCM砖与传统的砖进行对比试验研究，通过数值研究的方法发现单层和双层的PCM砖的温度可以平均降低4~9.5℃，传热量减少了40%~60%相变材料与夜间通风相结合被认为是一种很有前景的冷却策略。JiangLiu[6]等人以某无空调办公楼为例，探究相变材料与夜间通风结合使用在中国西部10个城市过渡期和炎热季节的适宜性。通过数值模拟方法，确定相变材料与夜间通风结合在炎热季节的最佳相变温度和冷却潜力。结果表明，中国西部这10个城市的最佳相变温度为25℃左右，相变材料与夜间通风结合适用于所有城市，并且比在过渡性季节单独使用夜间通风技术会更舒适。ChuanfeiShen[7]等人研究出一种简便有效用来制备水合盐/石蜡复合相变材料的方法，采用反相乳液模板法制备了水化盐/石蜡复合相变材料(PCM)，并将水化盐与石蜡混合制备了高性能混凝土。将高性能混凝土浸泡在纤维素海绵中，材料具有良好的热稳定性、高储能密度和低过冷度、相变烩为227.3J/g，对探究高储热密度、高吸放热效率的储能材料提供了新的理论方法。ZhiyongLiu[8]等人用模板法来制备四氯化锡与聚丙烯酸钠混合的多孔炭材料。然后用该混合多孔碳作为载体材料，以石蜡为相变材料制备了多孔炭形状的石蜡相变材料。通过电镜扫描、傅立叶变换红外光谱、激光拉曼光谱、X射线衍射分析表明多孔炭结构对相变材料石蜡具有吸附作用，而且提升了其化学稳定性。1.2.3国内相变材料的研究现状我国在相变储能技术方面的研究起步较晚，但发展极为迅速，尤其近几年，有很多十分显著的研究成果。雷永康、田琦、武斌[9]用相变温度为64℃的石蜡做相变材料，用膨胀石墨作为载体制备成复合相变材料，用数值研究的方法研究其传热性能。数据结果表明:添加质量分数为3%的膨胀石墨可以有效地提高相变材料的导热效率。为了探讨相变材料在散热器中的应用效果，在相变储热水箱中加入该比例的复合相变材料，发现相变储热时间减少了一半，相变潜热达到203.1J/g。胡荣荣、李凤艳、赵天波[10]利用悬浮聚合法，以甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸和石蜡为原料，在50℃的条件下制备了相变微胶囊，用差示扫描量热仪研究了微胶囊的结构和热稳定性。结果表明，当甲基丙烯酸的含量为90%、乳化剂含量为5%、芯壁比为2:1时，聚合5h后可制得形状良好的相变微胶囊，相变潜热达到112.95J/g。黄莉[11]以低温石蜡和水为相变储热液制备相变乳液，探究了石蜡、成核剂和表面活性剂含量对相变乳液热性能的影响，发现所制备的相变乳液的储热能力是水的2~6倍，过冷度小于2K，热稳定性好。蔡莞晨，杨文彬，张凯[12]等人通过Fluent软件进行数值模拟，然后与实验数据对比探究石蜡的熔化特性。结果表明，网格密度对熔化过程的模拟影响不大。此外，将熔炼过程分为两个阶段，不同位置的温度场曲线与实验对比有不同的一致性。在相变储能技术的研究中，相变材料的探索与研究方面，许多专家和学者己经针对其进行了很多实验、数值模拟和软件模拟。因石蜡具有热物性好、价格低廉、方便获得等优点，本文选用石蜡为相变材料作为研究对象。1.3相变蓄热换热装置的研究现状1.3.1国外相变蓄热换热装置的研究现状QiLi[13]等人介绍了适用于200~1000℃高温应用的熔盐相变材料的研究现状，对熔盐作相变材料的管壳式相变储能换热器的传热效率进行了研究，提出了提高相变材料传热性能和优化管壳式换热器的技术方法。Guo-HuaShi[14]等人研究利用太阳能辅助热泵(DX-SAHPV)的LPG气化系统的相变储热装置，选择石蜡PCM作为相变材料，最佳半径为60mm，利用Fluent软件对相变储热器的结构进行了数值模拟。分析储热过程和释放过程中的相变速率和相应的温度分布，并且进行经济分析，探究相变储热装置的最佳蓄热量。MiroslawZukowski[15]主要研究分析密封石蜡在通风管道中的传热和传质过程，得出了一个数学模型及其数值解。对于各种工况条件范围，提出了一种新方法来近似估算PCM的比热随温度变化的函数关系。采用控制体积有限差分法，求解了三维瞬态热分析方程组及其相应的边界条件和初始条件，最终得到的凝固/熔化过程的理论模拟结果与物理实际趋于一致。ShatikianV[16]等人利用Fluent软件对水平板相变换热器的传热特性进行了数值模拟，建立了二维和三维模型，建立了三种不同间距的板型，引入了无量纲准则数，并对水平板换热器的温度场和流场进行了分析，结果表明，水平板换热器的傅里叶数和斯蒂芬数对换热器的换热数和熔化率有很大的影响，在间距较大的翅片模型中，自然对流起着更重要的作用。1.3.2国内相变蓄热换热装置的研究现状王巍巍[17]用数值模拟的方法研究了管壳式换热器储热单元的吸放热过程的传热特征，并验证了传热流体的入口温度，入口流量对吸放热过程的传热特征参数影响较大。李伟[18]等人对槽型内水平圆管外相变蓄热过程进行了数值模拟，并且比较了实验数据，验证了数学模型的可靠性。徐伟强[19]对微重力条件下相变蓄热过程进行了数值模拟，并根据模拟结果建立了较为真实的空穴分布模型。曾艳[20]等人将自然对流传热系数加在固-液相变储热的数学模型中，并进行了数值模拟，与实验测得的温度场进行了比较，证明了自然对流在相变蓄热过程中的作用不可忽视。吴志根[21]等人进行不同材料与储热系统结合的实验，证明了金属泡沫和膨胀石墨对相变储热系统可以起到优化换热的效果。杨莺[22]等人制作了一套专门研究传热效率的装置，分析了不同参数及不同的相变材料的吸放热效率。刘馨[23]等人将蓄热墙体与太阳能空气集热器进行了结合，然后对其实验研究，发现将两者结合可以达到节能的效果。国内外对于管壳式相变储能换热器的研究主要局限于简单的装置模拟或二维数值模拟分析，在一定程度上，结论具有局限性和准确性。将相变储能技术和管壳式蓄热换热装置结合，建立管壳式相变储热换热装置的三维数值模型，采用六面体结构化网格划分，会使仿真结果更精确。1.4本文主要研究的内容本文主要对壳管式相变蓄能换热器储热单元在考虑传热流体流动与管壁传热性能的情况下，将传热流体和相变材料的导热进行了耦合计算，建立了三维非稳态的壳管式相变蓄能换热器储热单元的数值模型。研究了传热流体的不同入口温度和不同的入口流速，对壳管式相变蓄能换热器性能参数的影响。本文以壳管式相变蓄能换热器储热单元为研究对象，具体的内容如下:综合运用ANSYSWorkbench平台，构建壳管式相变蓄能换热器储热单元的几何模型并进行网格建立使用Fluent流场分析软件，设定初始值及边界条件后，对相变储能换热器储热单元在储热过程中的计算利用Fluent软件，模拟管壳式蓄能换热装置在储热过程中的温度场、流速场和液相界面变化规律，探究其相变储热换热性能，为优化相变储热换热装置提供理论参考和依据。相变储能原理及Fluent简介2.1相变原理相变储能是一种利用相变材料（PhaseChangeMaterial,PCM）储热特性,来储存或者是释放其中的热量的一种储能方法，其可以一定的调节和控制相变材料周围环境的热量，从而改变能量使用的时空分布,提高能源的使用效率[24]。2.1.1相变储能的工作原理相变储能利用物质从一种状态转变到另一种状态时热力学状态(焓)的变化。例如，冰在融化成水的过程中，会从周围环境中吸收大量热量，在再结冰的过程中释放大量热量。在这个吸热/放热过程中，材料的温度不会发生变化，也就是说，转化过程可以在很小的温度范围内带来大量的能量。相变储能被认为是最有前途的储能方法之一，因为具有温度恒定、能量密度高、换热效率高、安全可靠、等优点。相变储能具有以下特点:相变储能的原理是依靠相变材料的温度升高和降低来实现的，所以相变储能的本质就是为相变材料;相变材料(PCM）相变时的储热密度高、潜热量大，因此，它比显热储能要高得多;在相变过程中，材料的温度几乎保持不变，这与等温过程相似。因此，在充热和放热过程中，相变材料的热流几乎保持不变;由于传热流体不能与相变材料直接接触，因此需要使用质量好的换热器来进行储能。PCM温度显热PCM温度显热显热显热潜热潜热储存的能量储存的能量图2.1相变材料能量与其温度关系图在相变过程中，热储存介质通常是等温的或近等温的。相变材料在相变过程中吸收或释放的能量就称为相变潜热。金属相变潜热约为450KJ/Kg，某些无机盐(如氯化钠)的相变潜热也高达517.1KJ/Kg。相变储能材料在熔融过程中会吸收大量的相变热，在凝固过程中又会吸收大量的相变冷，这使得相变储能技术的研究具有重要的意义。相变分为固－液相变、液－气相变和固－气相变。其中固－液相变是最为常见的相变，但其相变潜热是最低的；固－气相变有最大的相变潜热，但也是最少见也是最少用的。当固液相变发生时，熔融过程包括共熔、相变和溶解。利用相变材料在熔化温度范围内的熔化热。一种物质从一种晶态到另一种晶态的固-固相变通常导致相变潜热相对较小。这个过程的优点是体积变化很小，几乎没有过冷。因此，这是一种非常有吸引力和可行的相变储能方法。对于固液相变过程，该过程不仅可以吸收或释放相变潜热，而且不占用大量体积，因此固液相变是实现相变储能的最简便方法。由此可见，材料的相变涉及到相变潜热的吸收和释放，在相变材料的载体作用下，能量以相变潜热的形式被储存起来，在需要的时候，储存的能量可以以一定的方式被释放出来使用，这就是相变储能技术的应用。相变材料有一些特定的要求，比如说：(1)物理性能方面：材料发生相变时其体积会变化小，储存方便；放热过程温度变化稳定。(2)化学性能方面：可以稳定、多次地反复相变，可也多次循环利用，环保，无毒，安全。(3)经济性方面：材料的价格要经济实惠，并且比较容易制备。2.1.2典型的相变材料水是我们最常见的相变材料，在０℃水凝结成冰时释放出的热量就大概等同于将水从0℃加热到80℃释放的热量。这是因为材料在相变时的焓变（334KJ/Kg）比起温度变化时的焓变(4.19KJ/Kg)高了很多倍，这也成为相变材料的一个明显优势——能量密度高而且体积小。常见的无机盐类相变材料包括溶解盐类和结晶水合盐类。比如铝硅盐类的融化温度在577℃，远高于冰-水作为相变储能的工作温度，一般应用于高温领域。此外，无机盐类的相变潜热也更大，如铝硅盐类的能够达到560KJ/kg。目前，在相变材料的研究中，正在结合以无机盐和石蜡为代表的有机小分子材料的优点，制备添加铝、铜和石墨等高热导率材料的复合相变材料，改善材料的热性能，提高材料的蓄热能力。石蜡作为相变材料时，工作温度介于水与无机盐类之间，一般为40℃到70℃之间，适合于常温，相变时潜热在200-240KJ/Kg之间。石蜡是一种具备高的相变潜热、储热密度大、熔化时蒸汽压力低，化学性能稳定的相变储能材料，经反复吸放热后相变温度和相变潜热变化小，成本低。缺点就是导热系数小，密度小，单位体积储热能力差。名称融化温度/℃比热容/J∙(kg∙℃)溶解热/kJ∙kg热导/W∙（m∙K）密度/kg∙m动力粘度/(kg/ms)石蜡6421502150.248903.59×10-328000.15726表2.1石蜡的物性参数2.1.3相变储能系统的基本要求相变储能系统应包括如表2.2所示的三个组成部分:相变储能系统1具有所需要相变温度的PCM2有盛装PCM的装置3有合适的换热装置，PCM能够与传热介质有效地进行换热表2.2相变储能系统的组成部分2.2相变传热的数值求解总储能量表示为相变储能材料的潜热QPCM潜和所吸收的显热QPCM显，管材温升的显热Q管显之和[25]，即:Q储存=QPCM显+QPCM潜+Q管显其中，储热材料的总质量MPCM与其热容的乘积为相变储能材料所吸收的显热QPCM显，则：QPCM显=MPCM∙CPPCM∙∆tm=(πr02−πrw2)∙H相变材料所吸收的潜热表示为:QPCM潜=MPCM∙L=(πr02−πrw2管材的总质量与其热容的乘积为管材温升的显热:Q管显=M管∙Cp管∙∆tm=(πrw2−πri2)其中∆tm为对数平均温差：∆tm=∆t1'ttt∆∆t1''t∆t2''tttAAt1'和t1''分别为管内流体的入口温度和出口温度；2.3Fluent软件简介Fluent软件属于Fluent公司，是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，它以有限元体积法为核心，将大量的CFD流体计算工具集成到软件包中，并以“软件组”的概念，总结出流体热力学的丰富物理模型，选择合适的模型来求解物理问题，大大简化了问题求解的复杂性。Fluent作为最全面的流体热力计算软件之一，得到了广泛的应用因为其模型库丰富，数值模拟较准确。在全球市场上占有很大的份额，美国半数以上的企业都在使用fluent来提高生产研究效率，国内几乎所有与流体热力计算有关的领域包括科研及商用都在使用fluent。Fluent主要由以下几个部分组成[26]：(1)预处理:几何结构的创建和网格的生成是Fluent计算的前提，而Gambit,Math,Filters都是功能强大的预处理工具;（2)求解器:Fluent自身就是一个功能非常丰富的求解器，同时也是整个软件的核心，网格读入之后数值计算和处理都要在其中进行;(3)后处理:Fluent有自己的后置处理器，功能丰富，可以实现计算结果的视图、云图、矢量图和流线图的绘制等。根据Fluent的组成，流体流动的计算问题就可以分为以下步骤:(1)建立模型对于任何的物理问题，在进行正式求解前都必须先建立其物理模型，建立模型可以使用AutoCAD、Solidworks等外部软件，也可以使用workbench中自带的DesignModeler和SpaceClaim。一般都是使用DesignModeler进行物理建模。(2)确定边界条件与初始条件为了保证对物理问题有合理的解，必须给出相应的初始条件和边界条件。初始条件为所求问题中参数的初始分布，边界条件为所求模型各个边界上参数变化情况。(3)划分计算网格为了得到离散的控制方程，网格生成是必不可少的步骤，而网格生成的质量对所得结果的准确性有很大的影响。(4)给定求解控制参数所谓控制参数是指流体的物理参数和求解模型所需要的关键参数，大多是通过实验测量或经验总结得到的。除了上述参数外，还需要明确迭代步骤、收敛方式以及其他必要的参数。(5)求解计算使用求解器求解离散方程，得到云图等分析图。(6)输出结果Fluent求解计算完成后，使用后处理器处理所需参数，再使用后处理器将参数输出。第三章储热单元求解模型的建立3.1几何模型的建立一个CFD流体计算问题的基础就是几何模型的建立，建立一个良好的几何模型可以让我们事半功倍，不仅可以准确的反应我们所研究的物理对象，而且还使我们划分网格更加简便。本文所使用的几何建模软件是ANSYSWorkbench平台中的DesignModeler建模软件，该建模软件不仅有一般CAD软件的优点，同时也有其自身的独特之处，有其他一些建模软件没有功能，可以保证模型的创建具有较高的几何精度，而且该软件建出的模型可以和网格划分软件完美的连接，通过DesignModeler创建的几何模型导入网格软件划分网格时无需再进行多余的修复工作。本文所研究的换热器储热单元结构如下：图3.1储热单元模型储热单元外径D0管程内径di管程外径dw管程总长L34mm10mm12mm500mm表3.1储热单元结构参数3.2网格划分在建立所需的几何模型之后，下一个任务是网格生成。网格生成是CFD流体力学中最重要、最耗时的部分之一，网格的质量直接影响最终解的精度。如果网格数太少就会导致计算误差过大，或者计算结果不能收敛。网格过多，虽然计算结果的精度有所提高，但幅度不大，但计算时间大大延长，导致计算成本快速增加。ANSYSWorkbench集成了多种网格划分源程序，常见的有ICEMCFD,,Gambit,CFX以及ANSYSPrep/Post等。选择符合求解问题的网格划分工具对我们的工作有很大的帮助。根据建立模型的特征，本文使用的是Mesh工具。Mesh工具提供了一个通用的网格生成工具，可用于任何类型的分析，以帮助解决问题。3.2.1边界层对于流体计算，由于一些物理量在边界处呈现很大的变化趋势，或者我们主要研究边界上的物理量，这样一般的网格质量不能满足计算要求。为了准确地描述这些参数，我们就要提高边界层的网格密度。而在Mash中我们一般采用“膨胀”方法来提高边界层密度，从而解决上面提到的问题。图3.2使用和未使用“膨胀”网格划分边界的选择是使用“膨胀”的方法划分网格的关键。对于本文所研究的模型，需要进行膨胀细化边界层的面即为PCM内表面以及换热流体与换热器内管的面。3.2.2网格划分结果图3.3网格划分结果图本文对所研究的模型网格划分后，得到的节点数目为613470，单元数目为610332，如图3.3。从图3.3可以看出，模型分为三个部分:换热流体、内管以及PCM，三部分单独划分网格，流体边界层网格使用“膨胀”方法进行细化，并且在各个接触的边界上，所划分出的网格连续3.3求解参数设置对模型网格划分完成后，就需要对Fluent求解参数进行设置，设置好正确的初始值和边界条件，以保证求解过程正确顺利的完成。3.3.1模型选择CFD流体力学的首要任务是确定问题的物理模型，这对正确表达问题的内容至关重要。进入Fluent我们先需要进行对所求问题物理模型的选择。Fluent在模型板块中有多种模型让我们选择使用，包含有:多相流模型、能量方程、粘性流方程、辐射方程、凝固和融化等。对于本文研究的问题来说，由于我们关心的是换热流体与PCM在充分热交换后达到热平衡状态时的PCM温度及固液比等内容，因此我们打开能量方程，选用粘性流模型并开启凝固和融化。粘性流动模型中有很多选项，主要分为层流和湍流模型。根据管壳式换热器流场分析的相关文献，认为管壳式换热器流动是湍流的，因此本文选择了湍流流动模型。Fluent提供了以下几种湍流模型:Spalart-Allmaras模型、k-epsilon模型、k-omega模型、RSM-7雷诺应力模型以及LES大涡模拟模型等。根据我们所研究的问题以及参考文献提供的内容，我最后选择k-epsilon模型作为储热单元的物理模型。3.3.2物性参数定义模型后，需要定义CFD计算中涉及的流体及固体物理参数。在换热器中，以水和石蜡分别作为流体和相变材料；以铜作为内管材料。为了简便计算，假设相变材料在固体和液体状态下的物理性质均为常数。密度ρ（kg/m3）比热容Cρ（J/(kg∙℃））热导率λ（W/(m∙℃）动力粘度η（Pa∙s）998.241820.60.001003表3.2水的物性参数图3.4石蜡的密度ρ参数图3.5石蜡的比热CP参数图3.6石蜡的热导率η参数3.3.3边界条件边界条件包括流动变量和热变量在边界处的值。它是Fluent分析中十分关键的一部分，只有边界条件设置正确、合理才能有机会得到具有实际意义的解。边界条件的分类：进出口边界条件：速度入口、压力入口、质量入口、压力出口、出流边界；壁面边界条件：壁面边界、对称边界、轴边界、交界面边界条件；内部边界条件：风扇、内部、porous-jump、辐射器、壁面。内部边界条件定义在单元表面，这意味它们没有有限厚度，并提供了流场性质的每一步变化。这些边界条件用来补充描述内部的物理模型。根据不同边界条件的特点，本文采用的入口类型为速度入口（入口速度设置为2m/s；入口温度设置为363K）；出口类型为出流边界（无需定义任何内容，主要针对求解前出口流速和压力未知的问题）；壁面边界采用薄壳传热。第四章储热单元数值模拟4.1不同入口流速对储热单元储热性能的影响为了分析传热流体入口流速对储热单元储热性能的影响，Fluent求解的过程中假定其他参数均相同，选择传热流体入口温度为353K。由于计算时间的限制，只研究了时间步长为1s，时间步数600下不同入口流速对蓄热单元性能参数的影响。图4.1所示的是不同入口流速时相变材料的温度随离管中心距离的变化图。由图可知，随着入口流速的增大，相变材料各个位置的温度也会增大，但影响不是很明显。而且热流体不同入口流速下相变材料的温度变化趋势基本一致。图4.1不同入口流速时相变材料的温度随离管中心距离的变化图不同入口流速下相变材料的液相比随离管中心距离的变化如图4.2所示，由图可知随着入口流速的增加，相变材料的平均液相比会增加，完全没液化的体积越少。而且主要影响区间为相变材料离管中心距离7mm-10mm之间。其他区间不同入口流速下相变材料的液相比基本一样。图4.2不同入口流速时相变材料的液相比随离管中心距离的变化图4.2不同入口温度对储热单元储热性能的影响为了分析传热流体入口温度对储热单元储热性能的影响，Fluent求解的过程中假定其他参数均相同选择传热流体入口速度为1m/s。研究时间步长为1s，时间步数600下不同入口温度对蓄热单元性能参数的影响。图4.3所示的是不同入口温度时相变材料的温度随离管中心距离的变化图。由图可知，随着入口温度的增大，相变材料各个位置的温度也会明显增大，且热流体不同入口温度下相变材料的温度变化趋势基本一致。不同入口温度下相变材料的液相比随离管中心距离的变化如图4.4所示，由图可知随着入口温度的增加，相变材料的平均液相比会增加；完全没液化的体积基本相同。在相变材料离管中心距离7mm-10mm之间，不同入口温度对液相比影响尤为明显。在对比不同入口温度和不同入口流速对储热单元储热性能的影响后，发现入口流速对储热单元储热性能的影响明显小于入口温度对储热单元储热性能的影响。图4.3不同入口温度时相变材料的温度随离管中心距离的变化图图4.4不同入口温度时相变材料的液相比随离管中心距离的变化图4.3不同时间下储热单元的温度和液相比分析不同时间下储热单元的温度和液相比，Fluent求解的过程中假定其他参数均相同选择传热流体入口速度为1m/s，入口温度为363K。根据图4.5和图4.6可知在65min左右，相变材料已完全液化，相变储热已完成。65min60min30min10min65min60min30min10min图4.5不同时间下相变材料的液相比云图图4.6不同时间下相变材料的液相比根据图4.7可知，虽然相变材料已相变完全，但其各个位置的温度并不相同。由内向外温度逐渐减小。图4.7不同时间下相变材料的温度总结与展望本文借助ANSYSWorkbench平台，以管壳式相变储能换热器储热单元作为研究对象，使用DesignModeler及Mash工具完成对储热单元的模型建立及网格划分，并利用Fluent流体分析软件对相变材料在储热过程中各个参数的计算及研究，求解之后使用CFD-Post将所求结果导出到Origin，使用Origin数值处理软件对所得数值进行处理，主要得出的结论有：在储热过程中，储热单元中相变材料的平均温度和平均液相比随传热流体的入口流速和入口温度的增加而增加，并且增加率是逐渐减小的。但其中入口流速对储热单元的各项热参数影响不大，而入口温度的影响是明显大于入口流速的影响的。在入口流速1m/s，入口温度363K的情况下，相变材料完全相变需要65min左右。但此时相变材料各个位置温度并不相同，根据离管中心的距离增大而减小。由于专业知识储备不足，时间不够充分，本文所做的工作仍然存在着大量的不足：本文仅对管壳式相变蓄能换热器蓄热单元进行了数值计算，对于具体的蓄热器的数值计算工作还未展开。并且文中规定了相变材料在固体和液体的各个物性参数均为常数，但实际相变材料的各个物性参数肯定是随着温度的改变而变化的，因此后续的研究可以将相变材料的参数变得更贴切实践些。本文只研究了使用水作为换热流体，石蜡做为相变材料，以后可以对多种换热流体和相变材料不同组合进行深一步的研究。参考文献[1]韩芳.我国可再生能源发展现状和前景展望[J].可再生能源，2010,28（4）:137-140.[2]张敉.太阳能热利用的现状和发展[J].云南冶金，1998,27（3）:44-47.[3]赵楠，李江华.中国地区能源利用效率统计测度与实证研究[M].北京:中国统计出版社，2015[4]李静，王栅，傅良疆.相变储热材料在工程中的应用和发展[J].科技经济导刊，2016（25）:76-77.[5]RajaSaxena,DibakarRakshit,S.C.Kaushik.ExperimentalassessmentofPhaseChangeMaterial(PCM)embeddedbricksforpassiveconditioninginbuilding[J].RenewableEnergy,2020,149.[6]JiangLiu,YanLiu,LiuYang,TangLiu,ChenZhang,HongDong.ClimaticandseasonalsuitabilityofphasechangematerialscoupledwithnightventilationforofficebuildingsinWesternChina[J].RenewableEnergy,2020,147[7]ChuanfeiShen,XiangLi,GuoqingYang,YanbinWang,LunyuZhao,ZhipingMao.Shape-stabilizedhydratedsalt/paraffincompositephasechangematerialsforadvancedthermalenergystorageandmanagement[J].ChemicalEngineeringJournal,2020,385.[8]ZhiyongLiu,ChuyueZang,ZhichengJu,DanHu,YunshengZhang,JinyangJiang,ChengLiu.Consistentpreparation,chemicalstabilityandthermalpropertiesofashape-stabilizedporouscarbon/paraffinphasechangematerials[J].JournalofCleanerProduction,2020,247.[9]雷永康，田琦，武赋.散热器供暖相变储热材料的性能研究[J].华侨大学学报，2019，40（06）:748-755.[10]胡荣荣，李凤艳，赵天波.石蜡/P(MMA-co-MAA)相变微胶囊的制备与性能[J].精细石油化工，2019，36（04）:63-68.[11]黄莉.石蜡/水相变乳液的制备与性能[J].化工学报，2018,69（04）：1749-1758.[12]蔡莞晨，杨文彬，张凯，范敬辉，吴菊英，邢涛，何韧.石蜡相变融化过程的实验和数值模拟[J].西南科技大学学报，2018,33（03）:69-81.[13]QiLi,ChuanLi,ZhengDu,FengJiang,YulongDing.Areviewofperformanceinvestigationandenhancementofshellandtubethermalenergystoragedevicecontainingmoltensaltbasedphasechangematerialsformediuman