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太阳能跨季节储热相变材料的选择与换热性能研究

张丽英  
【摘要】:在能源消耗总量中,用以保证建筑物卫生和舒适条件的供暖、空调等能源的消耗量占较大的比例。将太阳能季节性储热技术应用到建筑物供暖工程中,将大大提高能源的利用率,且太阳能为清洁无污染的可再生能源,有利于环境保护。 本文参考大量国内外文献,选取NH_4Al(SO_4)_2·12H_2O为应用于太阳能季节性储热直接供暖系统的固-液相变材料。首先,对工业纯NH_4Al(SO_4)_2·12H_2O进行了基本参数的实验室测定,包括其固、液态密度、体积膨胀率、熔化曲线和步冷曲线等,并在NH_4Al(SO_4)_2·12H_2O中添加铜丝,研究其导热系数的提高效果。其次,为了研究其实际传热性能,搭建了单根垂直同心套管实验台,进行连续蓄热与间歇蓄热熔化过程的实验研究。在蓄热实验过程中,相变材料轴向及径向温度均出现明显的温度分层现象。在240分钟的蓄热时间内,间歇蓄热过程的总换热量比连续蓄热过程多10.2%,可见,间歇蓄热过程更利于相变材料蓄热。最后,应用FLUENT模拟换热流体不同温度、不同流向对熔化过程的影响及连续凝固、间歇凝固过程的换热性能,得出以下结论:(1)相变材料的径向填充厚度对熔化过程的影响较小,换热器的高度对相变材料的熔化过程影响较大;(2)换热流体进口温度对换热强度的影响甚大,适当提高换热温差,利于换热;(3)换热流体的流向对整个蓄热过程的影响不大,因此,在换热系统的实际设计时,可忽略换热流体流向的影响,应主要考虑环路阻力问题,选择较小的环路阻力,可以节省循环水泵的电力消耗;(4)间歇凝固过程所消耗的能量为连续凝固过程的75%,可节省25%能量,实际运行时,应优先选用间歇取热模式。 本文重点研究了相变换热器的设计及相变储能系统的运行模式,为相变储能材料的研究提供了新的思路,并为相变储能系统在实际中的应用提供理论和数据支持,有重要的现实意义。


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