太阳能热水系统中相变蓄热模拟与设计

【摘要】： 当今随着经济社会的发展,能源危机已成为社会发展的面临的难题,太阳能作为一种可再生清洁能源具有广泛的前景,但是能量储存的问题制约着太阳能的利用。相变蓄热系统通过相变材料相变时吸收(或放出)大量热量的性质实现能量储存,这对于解决太阳能与供求时间的不一致问题,以及实现电力的移峰填谷,具有重要的实用价值。相变蓄能技术具有蓄能密度高、易匹配、易控制的众多优点,相变蓄能的研究和应用得到广泛关注。 本文的研究基于一种新型的太阳能蓄热系统的核心相变蓄热水箱进行数值模拟。由于相变过程中伴随有传导、对流现象,使得相变传热问题的求解复杂化,大多数情况下都借助于数值模拟。本文利用Fluen软件对相变传热过程中的影响因素及强化传热方法进行数值模拟研究。主要研究内容如下: (1)建立了球型相变蓄热体的物理和数学模型,模拟了不同壁温和不同直径蓄热球的融化过程,得到了在第一类边界条件下蓄热球体融化过程的温度分布,相变界面移动规律,以及凝固时间与壁面温度,球径之间的关系。 (2)利用焓法,建立套管性相变材料蓄热系统模型,利用计算流体力学软件FLUENT中凝固/融化模型模拟了石蜡融化的相变过程。在考虑液相区自然对流情况下得到了蓄热装置与热媒体耦合问题的温度场、液相体积分数随时间的变化情况,并分析了相变界面的变化规律。 (3)在相变蓄热装置中添加翅片,利用翅片提高相变蓄热系统的蓄热速度。通过模拟计算,研究了蓄热系统中翅片间距、翅片高度、翅片厚度和流体温度对相变完成时间的影响。结果表明,肋片的规格和流体温度对蓄热系统蓄热性能有重要的作用。 (4)设计一种应用于太阳能热水系统的相变蓄热水箱,与现有的热水器相比较,具有体积小、成本低、运行费用低等优点。具有很大的开发潜力。 【关键词】：相变蓄能 数值模拟 强化传热 太阳能热水系统 设计
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TU822
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 研究背景和意义12-13
• 1.2 国内外对于相变蓄能的研究现状13-25
• 1.2.1 相变蓄热材料的研究进展13-17
• 1.2.2 相变蓄热的传热强化研究进展17-19
• 1.2.3 相变蓄热热物理问题的研究进展19-22
• 1.2.4 相变蓄热技术应用的研究进展22-25
• 1.3 本文研究的主要内容25
• 1.4 小结25-26
• 第二章 相变蓄热问题的数学模型和计算方法26-38
• 2.1 相变传热问题的特点26-27
• 2.2 相变传热的数学模型27-28
• 2.3 相变传热问题的求解方法28-34
• 2.3.1 解析法分析29-30
• 2.3.2 数值求解方法30-31
• 2.3.3 数值求解的步骤31-34
• 2.4 FLUENT数值模拟相变问题的基本知识34-37
• 2.5 小结37-38
• 第三章 圆球形蓄热体的数值模拟研究38-46
• 3.1 引言38
• 3.2 物理及数学模型的建立38-40
• 3.2.1 物理模型的建立38-39
• 3.2.2 数学模型的建立39-40
• 3.3 相变过程模拟分析40-41
• 3.3.1 几何模型和网格划分40
• 3.3.2 FLUENT计算参数的设置40-41
• 3.4 模拟结果及其分析41-44
• 3.5 本章小结44-46
• 第四章 管壳式相变蓄热单元模拟46-60
• 4.1 引言46
• 4.2 蓄热系统的物理模型46-47
• 4.3 蓄热系统的数学模型47-48
• 4.4 模拟结果及分析48-59
• 4.4.1 模型及参数48-49
• 4.4.2 网格划分及参数设置49-50
• 4.4.3 结果及分析50-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第五章 翅片强化传热的模拟60-66
• 5.1 前言60
• 5.2 模型及参数60-61
• 5.3 模拟结果分析61-65
• 5.3.1 翅片间距对蓄热过程的影响63-64
• 5.3.2 翅片高度对蓄热过程的影响64
• 5.3.3 翅片厚度对蓄热过程的影响64-65
• 5.3.4 热流体温度对蓄热过程的影响65
• 5.4 本章小结65-66
• 第六章 相变蓄热水箱的设计66-78
• 6.1 引言66
• 6.2 太阳能热水系统66-71
• 6.2.1 太阳能热水器66-67
• 6.2.2 分体式太阳能热水系统67-71
• 6.3 新型相变蓄热水箱的设计计算71-78
• 6.3.1 换热计算72-74
• 6.3.2 相变材料的封装74-76
• 6.3.3 结构设计76-77
• 6.3.4 经济性分析及优点77-78
• 第七章 结论和展望78-80
• 7.1 研究总结78-79
• 7.2 展望79-80
• 参考文献80-86
• 硕士期间发表学术论文86-87
• 致谢87

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