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树状肋储能换热器的固液相变传热特性研究及其结构优化

李杰  
【摘要】:由于拥有高储能密度和近似等温过程的优势,固液相变储能逐渐成为了最具应用前景的能量储存方式。然而,相变材料(PCM)的低导热率极大地限制了其工作效率,因此需要对储能换热器的效率进行提升。添加高导肋片是提升固液相变储能换热器效率的常用方法,这种方法具有操作简单,运行和维护费用低的优点。然而,高导肋片会占据储能换热器内部容积,降低储能换热器的储能能力,同时,肋片的布局和结构对储能换热器的性能具有重要影响。因此,对高导肋片进行结构优化具有重要的研究价值。受分形几何成功应用于微尺度传热传质领域的启示,本文将分形树状结构应用于固液相变储能换热器的肋片结构优化,设计了一种树状肋相变储能换热器并建立了其释能过程的非稳态数学模型,对树状肋储能换热器的释能过程进行了数值模拟。在数值模拟的基础上,开展了树状肋储能换热器充释能过程的实验研究。最后,根据数值模拟和实验的结果,进一步提出了树状肋-孔网络相变储能换热器,并通过数值研究的方法并对其释能特性进行了定量评估。综合来说,本文的研究内容和主要结论如下:(1)开展了树状肋储能换热器释能特性的数值模拟研究。对传统储能换热器和树状肋储能换热器的释能特性进行了对比分析,重点研究了两种储能换热器在释能过程中的温度分布、固液界面、液相率和能量释放的变化,最后对树状肋储能换热器的肋片结构参数进行了优化设计。研究结果表明:(a)相较于传统径向肋片,分形树状肋片能够优化储能换热器内部热流通道,并且增加PCM与肋片接触的比表面积,从而提升储能换热器的释能效率以及释能过程中的均温性。(b)在释能前期,两种储能换热器的热量释放速度基本相同,但在释能中后期,树状肋储能换热器的释能速度明显快于传统储能换热器。(c)为了使分形树状储能换热器释能特性最佳,分形树状肋片最佳长度比为1.3,最佳宽度维数为1。(2)搭建了传统储能换热器和树状肋储能换热器传热性能测试的实验平台,对两种储能换热器的充释能特性进行了实验测试,研究了肋片形状对储能换热器性能的影响,并对比分析了储能换热器内部处于不同径向和轴向位置PCM的相变传热特性。实验测试结果表明:(a)相较于传统径向肋片,分形树状肋片不仅能够提升储能换热器的充能和释能效率,还能提升储能换热器轴向和径向的均温性。(b)在轴向方向上,传统储能换热器在熔化过程中受自然对流的影响较大,上部PCM熔化速度快于下部且上下部温度差异较大。而在其凝固过程以热传导为主,上下部PCM凝固速率趋于一致且温度分布较均匀。树状肋储能换热器因自然对流受限,PCM在熔化与凝固过程中的轴向温度均匀性都相对较好。(c)在径向方向上,传统储能换热器熔化过程自然对流和导热共同作用,径向温度分布差异较小,而凝固过程以热传导为主,径向温度分布差异较大。分形树状储能换热器由于树状肋多层级和点及面的结构特性,使得其熔化和凝固过程径向温度差异较小,而且,与传统储能换热器不同的是,分形树状储能换热器中相界面不再是由内向外逐层推进,而是由内管和外壳同时向中间推进。(3)开展了树状肋-孔网络储能换热器的数值模拟研究。对比分析了树状肋、孔网络、树状肋-孔网络三种结构储能换热器的释能特性,重点对比研究了三种储能装置在释能过程中的液相率、温度分布、固液界面等的演化特性。主要结论如下:(a)树状肋-孔网络储能换热器的树状主肋能够促进热量由点及面的传输,且其孔网络结构能有效消除肋片间传热迟滞区,相较于树状肋和孔网络储能换热器,其释能速度更快。(b)树状肋储能换热器在释能过程中PCM沿肋片法向方向推进,在肋片之间形成了迟滞区;孔网络储能换热器释能过程中PCM相界面沿径向方向向外均匀推进,但其相界面推移速度较慢;树状肋-孔网络储能换热器在释能过程中PCM在径向和周向方向上固液界面推进速率趋于一致,且内其各区域PCM相变速度更快。(c)树状肋储能换热器在释能过程中可以快速汇聚热量,但在肋片间会形成高温区;孔网络储能换热器肋片与PCM之间温差不明显,但其径向方向上热扩散速度缓慢,导致其径向方向上PCM温度不均匀性较大;树状肋-孔网络储能换热器中树状主肋能提升径向方向上温度均匀性,孔网络结构能够消除肋片间高温区,从而提升了储能换热器的释能效率。


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