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中低温工业烟气余热回收的相变储能换热器研究

何志兴  
【摘要】:我国工业烟气余热资源丰富,回收利用烟气余热是实现生产中节能减排的重要一环。在工业用能中,能量品位较高的烟气余热利用较好,而较低的中低温烟气余热会直接排放掉,造成严重的能源浪费。本文以利用较低品位烟气余热的相变储热换热器为研究对象,以提高相变储热换热器储热效率为研究目的,通过实验和数值模拟的研究方法,研究了不同储热装置换热管结构对于相变换热过程中换热系数的影响。通过对比分析不同换热管结构对相变换热器中相变材料完全熔化时间的影响,筛选出强化传热效果最优的相变换热器中换热管结构。本课题其主要研究内容和结论如下:1、根据不同中低温相变材料的特点,筛选出了两种符合本课题研究内容的中低温相变材料。通过步冷这一实验方法,确定相变材料的相变温度、过冷度、传热均匀性、相变材料相变的稳定性,认为三水醋酸钠适合作为本课题研究的相变材料,该相变材料的相变温度为57℃,相变潜热大,相变性能稳定,过冷度小。2、根据数值模拟的研究方法,先用ANSYS-Fluent建立了 12组不同换热管结构相变蓄热单元的传热模型,模拟出了不同相变单元的相变过程,计算得到了不同换热单元的熔化过程的液相率随时间变化的关系曲线及出口烟气温度随时间变化的曲线,结果显示,翅片管结构的相变换热器相变传热效率要远大于光管结构的相变换热器,且当翅片间距L=6mm,翅片高度H=4mm时的翅片管结构为最优的换热管结构。再根据研究的最优换热管结构,用ANSYS-Fluent建立了光管和翅片管整体相变换热装置的传热模型,结果显示,翅片管相变换热装置中相变材料完全熔化的时间比光管换热中相变材料完全熔化的时间减少20.8%,说明该结构具有明显提高相变储能效率的作用。3、为验证模拟仿真的结果正确性,设计并制作了 5管程的U型管型相变换热器,以三水醋酸钠为相变材料,并搭建了测量相变换热器传热过程中的相关测点温度及流量实验平台。对比实验和仿真的结果表明,实验与仿真中相变材料的完全熔化的时间分别为780min和755min,相差25min,误差为3.3%,说明仿真结果正确。


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