太阳能—相变水箱蓄热系统的运行特性研究

【摘要】：相变材料具有储能密度大、储能能力强、相变过程中温度恒定等特点,它在相变过程中能够吸收(释放)大量热量,非常适用于能量储存的材料。把相变材料制成相变单元放置太阳能蓄热水箱中,可提高水箱储能密度、增加太阳能蓄热水箱的蓄热量,提供更多的生活用水；同时将相变材料制成相变单元,使相变材料能够灵活应用于余热回收、新能源利用和电力调节等领域。以实验与模拟作为主要的研究手段,从相变单元的设计,太阳能-相变蓄热水箱的设计到圆柱体相变单元的蓄放热特性以及太阳能-相变蓄热水箱的运行特性等方面进行了相关研究： 首先在选择了适合应用于太阳能蓄热的相变材料后,设计了圆柱体相变蓄热单元,并通过数值模拟的方式对圆柱体相变蓄热单元在60℃、70℃、80℃三种温度工况下的相变规律进行了模拟研究。圆柱体相变单元在三种温度工况下的熔化规律都为自上而下,由外而内；凝固过程圆柱体相变单元呈现出由相变单元的壁面向中间逐渐凝固的规律。 然后通过实验对比研究了不同强化传热方式下圆柱体相变蓄热单元的蓄放热特性,同时对圆柱体相变蓄热单元内相变材料的温度分布进行了研究,并得出膨胀石墨对提高相变材料的传热性能比方形金属网格与圆形金属网格更为明显的结论。 最后以西昌地区的太阳能资源为例,计算出满足西昌地区一个三口之家的生活热水需要太阳能集热器面积为2.4m2、集热水箱的容积为180L,并在此基础上根据课题组前期的研究成果设计了太阳能-相变水箱及其蓄热系统。计算出了太阳能-相变水箱中相变材料的填充率,结果表明蓄热水箱中填放41个圆柱体相变蓄热单元在冬季的西昌地区就可以比普通太阳能蓄热水箱多储存45.7L的生活热水。在此基础上将太阳能-相变水箱与太阳能集热系统进行耦合成完整的蓄热系统,通过通过模拟计算对太阳能-相变水箱内部的运行特性进行了研究,对水箱内部温度场分布与相变材料蓄放热特性进行了相关分析。在加装相变蓄热单元后,蓄热水箱的蓄热时间为285min,连续放热过程的时间为42min；在用水间隔为5mmin的情况下,水箱出水温度在40℃以上的时间为89min；用水间隔为10min的情况下,水箱出水温度在40℃以上的时间为85min。 【关键词】：相变材料 肉豆蔻酸 相变单元 太阳能-相变水箱 运行特性
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU18;TU822
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 研究背景以及研究意义11-12
• 1.2 国内外研究现状分析12-17
• 1.2.1 相变蓄能材料研究13
• 1.2.2 相变蓄热装置研究13-15
• 1.2.3 相变蓄热装置强化传热研究15-17
• 1.3 主要研究内容17-18
• 1.4 本章小结18-19
• 第2章 相变材料遴选及相变单元蓄放热特性模拟分析19-38
• 2.1 相变材料遴选19-21
• 2.2 相变单元设计21-22
• 2.3 圆柱体相变单元蓄放热特性数值模拟分析22-37
• 2.3.1 相变传热数学模型22-23
• 2.3.2 相变传热数值求解方法23-24
• 2.3.3 相变单元数值模拟24-26
• 2.3.4 蓄热过程模拟结果分析26-32
• 2.3.5 放热过程模拟结果分析32-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第3章 相变单元强化传热方式对比分析38-50
• 3.1 实验系统38-41
• 3.1.1 实验仪器与设备38-39
• 3.1.2 实验方法与误差39-41
• 3.2 相变材料强化传热方式研究41-42
• 3.3 圆柱体相变单元强化传热方式对比分析42-49
• 3.3.1 方形金属网格与圆形金属网格熔化过程对比42-44
• 3.3.2 方形金属网格与圆形金属网格凝固过程对比44-46
• 3.3.3 膨胀石墨与方形金属网格熔化过程对比46-47
• 3.3.4 膨胀石墨与方形金属网格凝固过程对比47-49
• 3.4 本章小结49-50
• 第4章 太阳能-相变水箱蓄热系统设计50-59
• 4.1 太阳能热水系统50-51
• 4.1.1 太阳能热水系统概述50
• 4.1.2 太阳能集热器选型50-51
• 4.2 太阳能热水系统基本设计参数设计51-55
• 4.2.1 热水参数设计52-53
• 4.2.2 集热器面积计算53-54
• 4.2.3 蓄热水箱容积计算54-55
• 4.3 相变水箱设计55-57
• 4.3.1 水箱结构设计55
• 4.3.2 水箱保温层设计55-57
• 4.3.3 水箱辅助热源设计57
• 4.4 太阳能-相变水箱蓄热系统设计57-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第5章 太阳能-相变水箱蓄热系统运行特性模拟分析59-73
• 5.1 水箱相变材料填充率59-60
• 5.2 蓄热系统的模拟参数设定60-63
• 5.2.1 水箱计算模型60-61
• 5.2.2 边界条件及计算参数设置61-63
• 5.3 蓄热系统的蓄热特性模拟结果分析63-67
• 5.3.1 温度变化模拟结果分析63-65
• 5.3.2 水箱进出口水温的变化65
• 5.3.3 相变材料蓄热模拟结果分析65-67
• 5.4 蓄热系统的放热特性模拟结果分析67-72
• 5.4.1 连续放热过程温度变化67-68
• 5.4.2 连续放热过程相变材料凝固特性68-69
• 5.4.3 非连续放热过程温度变化69-71
• 5.4.4 非连续放热过程相变材料凝固特性71-72
• 5.5 本章小结72-73
• 结论与展望73-75
• 致谢75-76
• 参考文献76-82
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目82

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