太阳能供暖系统中相变蓄热器热性能研究

【摘要】：随着社会经济的不断发展，建筑能耗在国家全部能源消耗中所占的比例越来越大，而减少冬季供暖能耗可以有效达到建筑节能的目的。太阳能热泵供暖系统作为一种绿色节能的供暖系统，越来越受到我国的重视。但是由于太阳能具有不稳定性以及能源密度低等缺陷，所以需要研发高效可靠的蓄热装置，以提高太阳能的能源利用率和减少冬季供暖常规能源的消耗。 本文设计了一种采用球形蓄热单元并应用于太阳能热泵供暖系统中的相变蓄热装置，并采用数值模拟的方法对相变蓄热装置的热性能进行了研究。首先，计算了太阳辐射强度、供暖热负荷和集热器面积等与太阳能热泵系统相关的参数。其次，选取了添加膨胀石墨的石蜡作为相变材料，并计算了相变材料用量，确定了相变蓄热箱的结构和尺寸。之后，利用Gambit和Fluent软件建立了相变蓄热箱的物理模型和数学模型，并对其进行了数值模拟。最后，对计算结果进行了处理，分析了蓄热球直径和供回水温差对蓄热箱性能的影响，得到了蓄热球内部的温度场和液相率云图，并分析了存在自然对流情况下的传热过程。模拟结果表明：减小蓄热球直径可以提高传热效率，缩短相变时间，提高出口水温最大值，但会减少有效供暖时间；供回水温差的改变，基本不会影响相变材料的熔化、凝固过程，但会影响出口水温的变化；蓄热球内部的相变过程是由外而内逐层进行的，且在自然对流影响下，相变过程不再是对称运动；蓄热箱中相变材料整体的相变方向与热媒流体流动的方向是一致的。 本文对太阳能热泵供暖系统中一种采用球形蓄热体的相变蓄热装置进行了数值模拟，为相变蓄热装置在太阳能供暖工程中的应用以及蓄热装置的优化提供了参考依据。 【关键词】：太阳能热泵 供暖系统 相变蓄热器 球形蓄热体 数值模拟
【学位授予单位】：河北科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU83
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题的研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外太阳能热泵供暖系统的研究进展11-14
• 1.2.1 太阳能热泵系统的分类11-13
• 1.2.2 国内太阳能热泵供暖系统的研究进展13
• 1.2.3 国外太阳能热泵供暖系统的研究进展13-14
• 1.3 国内外相变蓄热的研究进展14-17
• 1.3.1 相变蓄热材料的研究进展14-16
• 1.3.2 相变蓄热中传热强化的研究进展16-17
• 1.3.3 相变蓄热装置的模拟和实验研究进展17
• 1.4 本文的主要研究内容17-20
• 第2章 石家庄地区太阳辐射强度的计算20-28
• 2.1 太阳角20-22
• 2.1.1 太阳赤纬角20
• 2.1.2 太阳时角20-21
• 2.1.3 太阳高度角21
• 2.1.4 太阳方位角21
• 2.1.5 日照时间及集热器最佳倾角21
• 2.1.6 任意平面上的阳光入射角21-22
• 2.2 太阳辐射强度计算模型22-24
• 2.2.1 太阳常数22
• 2.2.2 大气质量22
• 2.2.3 斜面上的太阳辐射强度22-23
• 2.2.4 太阳辐射日总量的月平均值23-24
• 2.3 计算结果24-26
• 2.4 本章小结26-28
• 第3章 太阳能热泵系统和蓄热装置的研发28-36
• 3.1 太阳能热泵供暖系统研发28-31
• 3.1.1 供暖终端的选取28-29
• 3.1.2 供暖热负荷的确定29-30
• 3.1.3 热水耗量的计算30
• 3.1.4 集热面积的计算30
• 3.1.5 管路和压缩机的选择30-31
• 3.2 相变蓄热装置的研发31-34
• 3.2.1 相变材料的选取31-32
• 3.2.2 相变材料用量的计算32
• 3.2.3 相变蓄热装置的研发32-34
• 3.3 本章小结34-36
• 第4章 蓄热箱模型的建立和数值模拟36-50
• 4.1 相变传热的数学模型36-37
• 4.1.1 温度法模型36
• 4.1.2 焓法模型36-37
• 4.2 相变传热的数值求解37-40
• 4.2.1 数值求解方法38-39
• 4.2.2 数值求解步骤39-40
• 4.3 Fluent 中熔化/凝固模型基本知识40
• 4.4 物理模型的建立40-43
• 4.5 数学模型的建立43-45
• 4.5.1 流体区域的数学模型43-44
• 4.5.2 相变区域的数学模型44-45
• 4.5.3 边界条件和初始条件45
• 4.6 Fluent 求解模型45-49
• 4.6.1 网格检查操作45-46
• 4.6.2 选择求解器46
• 4.6.3 定义材料属性46-47
• 4.6.4 设置操作条件47
• 4.6.5 设置边界条件47-48
• 4.6.6 设置求解器控制参数48
• 4.6.7 设置监视器48
• 4.6.8 初始化及设置时间步长48-49
• 4.7 本章小结49-50
• 第5章 数值模拟结果及分析50-68
• 5.1 蓄热球直径不同时的模拟结果及分析50-56
• 5.1.1 熔化过程模拟结果分析50-52
• 5.1.2 凝固过程模拟结果分析52-55
• 5.1.3 蓄热球直径不同时压力场的分析55-56
• 5.2 供回水温差不同时的模拟结果及分析56-59
• 5.2.1 熔化过程模拟结果分析56-58
• 5.2.2 凝固过程模拟结果分析58-59
• 5.3 蓄热球内部相变过程的模拟结果及分析59-63
• 5.3.1 熔化过程模拟结果分析60-61
• 5.3.2 凝固过程模拟结果分析61-63
• 5.3.3 截面处速度场分析63
• 5.4 蓄热球之间相变过程的模拟结果及分析63-66
• 5.4.1 熔化过程模拟结果及分析64-65
• 5.4.2 凝固过程模拟结果及分析65-66
• 5.5 本章小结66-68
• 结论68-70
• 参考文献70-76
• 攻读硕士学位期间所发表的论文76-78
• 致谢78

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