收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

热泵相变储能换热器强化传热数值模拟和实验研究

叶为标  
【摘要】:在工业生产和日常生活中,用于热水供应的低温热能需求量巨大。热泵技术以节能和环保的优势在制取生活热水中的应用逐渐受到关注。然而,可作为热泵热源的空气能、太阳能、地热能和工业余热等低温热能由于能量供求在时间和强度上不匹配的矛盾难以直接满足实际需求。从提高能源利用效率和环境保护的角度,基于相变储能的热泵技术能够缓解这一矛盾。相变储能有储能密度大、使用过程中温度波动小、容易控制等优点,特别是能够缩小能量产生和消耗之间的差距,被认为是热能工程应用领域重要的能源技术。 以相变储能式热泵热水器的储能换热器为研究对象,基于传热学、流体力学、热力学和相变储能理论对储能换热器的流体流动和传热特性进行了深入系统的研究,主要包括了以下几个方面的研究工作: (1)首先介绍了固-液相变的微观理论,详细论述了影响相变传热过程的主要因素——成核和晶体生长。讨论了模拟相变问题的热力学第一定理模型法,建立了对固-液相变适用的数学模型和数值方法。然后讨论了热力学第二定理评估相变储能换热器的性能,用火用分析来评价储能换热器储/放能过程中能量利用的品质。最后通过实验数据严格验证了数值模拟固-液相变和自然对流问题的可靠性,数值计算结果通过与公开出版的文献实验数据对比得到检验。 (2)数值研究了在潜热能单元内不同相变材料(Phase Change Material, PCM)腔体积分数对流体流动和传热特性的影响,计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)代码用于数值求解基于瞬态的非线性耦合传热。研究了PCM腔体积分数为35%~95%时的体积膨胀率、完成热储存的时间、热流、液相分数以及速度和温度场变化情况。结果表明,对PCM腔体积分数为85%时,接近加热板壁面处产生漩涡(作为换热强化因子)。当PCM腔体积分数增加时,体积膨胀率减小,然而完成储能时间增加。此外,建立了体积膨胀率和完成储能时间分别与PCM腔体积分数之间的函数关系式。界面换热率的详细研究对固-液相变传热机理提供了较深入的理解。 (3)研究了特征长度为2mm快速储/放能的板-翅单元内的传热和流动现象。使用基于有限体积法(Finite Volume Method, FVM)数值模拟相变传热的非稳态过程。分析了热能储存/释放体系内温差对流动和传热的影响。研究表明,当温差小于20℃时,温差对热储存时的性能影响较大。在放能过程中有部分未凝固的PCM存在,另外还有一个旋涡在空气区域形成。对不同变量和研究的参数拟合出相应的数学关联式,这些关联式可用于今后的组件设计和系统优化。 (4)应用热力学第一定理以及第二定理的火用分析对储能单元在不同结构尺寸下的储/放热性能进行了研究。在储能过程中,较大的PCM及翅片宽度和小的储能温差有利于自然对流的产生而增强换热,较高翅片的换热效果更佳。高翅片、大的PCM及翅片宽度和低翅片、小的PCM及翅片宽度收集热量的效果一致。在放能过程中,不同结构尺寸对固相分数的影响很大,然而相同尺寸下,放能温差对固相分数的影响不大,小温差有利于热传导的进行。获得的基准数据可用于该储能单元结构优化和系统设计。火用分析表明换热流体(Heat Transfer Fluid, HTF)的速度越大,火用效率相对较小。 (5)以PCM和高效换热器为基础,对板-翅式换热器用作热泵相变储热器进行了实验研究。探讨了板-翅式热泵相变储热器中板式换热器与储能材料界面的温度变化、不同HTF流量下出口水温及出水量。结果显示:处于同一横截面不同板侧上的热电偶所测温度差别较小,温度测量曲线存在较平缓的一段。在HTF的温降相同下,HTF流量越大,放热持续时间越短。保持出口水温为40℃时,HTF流量应采用0.3m3/h且对能量的利用品质高(即火用效率高)。增大HTF流量,储能换热器的换热率也增加且系统的COP值都达到5.0以上,具有很好的节能以及因相变储能的储能密度大表现出节地的效果。研究结果为板-翅式换热器作为热泵相变储热器奠定实验基础,对板-翅式换热器广泛用于热泵相变储能装置具有一定的参考价值和实际意义。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 尚燕,张雄;储能新技术——相变储能[J];上海建材;2004年06期
2 王信刚;马保国;王凯;李相国;郝先成;;相变储能建筑材料的研究进展[J];节能;2005年12期
3 冯国会,高甫生,付英会,吕石磊,李国建,曹广宇;复合相变储能墙体热特性实验及参数辨识方法[J];沈阳建筑工程学院学报(自然科学版);2004年03期
4 吴淑英;朱冬生;杨硕;;Al_2O_3-H_2O纳米流体的相变蓄冷实验研究[J];工程热物理学报;2009年06期
5 王元荪;;一种建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆及其制备方法[J];新型建筑材料;2010年02期
6 李小学;;建筑用相变储能材料的研究进展[J];国外建材科技;2006年04期
7 侯春光;;相变材料在建筑节能中的应用综述[J];硅谷;2008年03期
8 江邑,张寅平,徐继军,江亿,康艳兵;板式相变储换热器的储换热性能实验研究[J];太阳能学报;2000年04期
9 万红,孙诗兵,田英良,陈超;相变建筑节能材料的应用研究与思考[J];墙材革新与建筑节能;2005年07期
10 孙建强,张仁元;相变储能建筑材料的发展[J];化学建材;2005年05期
11 张奕;张小松;;有机相变材料储能的研究和进展[J];太阳能学报;2006年07期
12 刘瑞虹;刘剑虹;林枫;梁亚宁;;蓄能保温砖的制备和保温性能实验[J];新型建筑材料;2007年11期
13 朱冬生;徐婷;杨硕;叶为标;汪南;巨小平;;管翅式热泵相变储能器的数值模拟[J];流体机械;2011年06期
14 马保国,王信刚,张志峰,袁洪斌;相变蓄能围护结构材料的研究现状与进展[J];墙材革新与建筑节能;2005年09期
15 刘成楼;;相变储能材料在抗裂抹面砂浆中的应用研究[J];新型建筑材料;2009年07期
16 陈观生;张仁元;柯秀芳;;金属相变储能热风装置提热性能的研究[J];制冷空调与电力机械;2007年06期
17 马保国;蹇守卫;金磊;穆松;张琴;;相变储能建筑材料的研究进展与温度-时间响应测定[J];中国建材科技;2008年04期
18 蹇守卫;马保国;金磊;穆松;张琴;;有机-无机相变储能微胶囊的制备与表征[J];武汉理工大学学报;2009年11期
19 郑万烈;有相变及无相变情况下导热相似分析的进一步发展[J];同济大学学报(自然科学版);1986年03期
20 王岐东,董黎明,代一心,刘俊女;两种相变材料储能石膏板的实验研究[J];北京工商大学学报(自然科学版);2005年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 黄凯良;冯国会;刘馨;;相变储能房间节能技术研究应用进展及拓展潜力[A];全国暖通空调制冷2010年学术年会资料集[C];2010年
2 张毅;张菁燕;李东旭;;石膏基相变储能墙体材料的性能研究[A];商品砂浆的科学与技术[C];2011年
3 高喆;艾德生;赵昆;戴遐明;;球磨法制备氧化锆-硬脂酸系相变储能材料的研究[A];中国颗粒学会超微颗粒专业委员会第五届年会暨海峡两岸纳米颗粒学术研讨会论文集[C];2007年
4 赵亮;马蕊英;孟祥兰;王刚;方向晨;;石蜡/γ-氧化铝相变储能材料的分析与研究[A];中国化工学会2011年年会暨第四届全国石油和化工行业节能节水减排技术论坛论文集[C];2011年
5 王晴;张静;赵慧;;石蜡相变储能混凝土的制备与性能研究[A];中国硅酸盐学会水泥分会第三届学术年会暨第十二届全国水泥和混凝土化学及应用技术会议论文摘要集[C];2011年
6 王晴;张静;赵慧;;石蜡相变储能混凝土的制备与性能研究[A];中国硅酸盐学会水泥分会第三届学术年会暨第十二届全国水泥和混凝土化学及应用技术会议论文摘要集[C];2011年
7 徐仁崇;;相变储能混凝土制备的前期研究[A];聚羧酸系高性能减水剂及其应用技术研讨会论文集[C];2008年
8 郭振华;贾亚可;王鑫;;癸酸/石蜡复合海泡石纤维相变储能材料的研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第6分册)[C];2010年
9 冯国会;于水;梁若冰;郭慧宇;吕石磊;陈旭东;曹广宇;;不同工况下相变墙房间蓄换热性能分析[A];全国暖通空调制冷2008年学术年会资料集[C];2008年
10 马保国;王信刚;李相国;高小建;郝先成;;相变材料及相变储能建筑材料的研究进展[A];中国硅酸盐学会混凝土水泥制品分会第七届理事会议暨学术交流大会论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 尹霞;基于热力学模型的新型无机熔盐水化物相变储能材料的研究[D];中南大学;2012年
2 王云明;光热转换聚醚基定形相变储能材料的合成及性能研究[D];大连理工大学;2013年
3 马艳红;相变温度可调的储能微胶囊的制备及其性能研究[D];清华大学;2013年
4 丘晓琳;丙烯酸树脂基相变储能微胶囊的制备与性能研究[D];清华大学;2013年
5 夏莉;复合相变储能材料的研制与潜热储能中热物理现象的研究[D];上海交通大学;2011年
6 王继芬;含无机纳米颗粒复合相变储能材料的制备及热性能研究[D];华东理工大学;2011年
7 洪伟;水性聚氨酯储能材料的相变机理及智能粘胶纤维[D];燕山大学;2013年
8 张焕芝;复合相变储能材料的自组装合成及性能研究[D];北京化工大学;2010年
9 孔巧玲;利用海洋温差能的水下热滑翔机相变过程和动力性能研究[D];上海交通大学;2010年
10 刘娜;随机近似热模型修正方法及相变热控关键问题研究[D];中国科学技术大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 黄凯良;寒冷地区相变储能房间热集成技术与热设计方法研究[D];沈阳建筑大学;2011年
2 李娜;相变储能材料在混凝土结构抗火中的应用基础研究[D];西南交通大学;2012年
3 刘英俊;通信基站用相变储能模块的开发与数值模拟[D];湖南大学;2013年
4 许胜利;低碳经济模式下相变储能装饰材料在装饰工程中的应用研究[D];重庆大学;2012年
5 金琼;氯化钙基相变储能材料及相变储热换热器实验研究[D];内蒙古工业大学;2010年
6 王想红;微纳结构复合材料固—固相变储能性能的研究[D];兰州理工大学;2014年
7 冼焯斌;太阳能相变储能合金容器材料的选择及性能研究[D];广东工业大学;2011年
8 邱美鸽;导热增强型相变储能材料的制备及性能研究[D];大连理工大学;2012年
9 樊鹏飞;复合芯材相变储能微胶囊的制备及性能研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
10 崔洁;基于太阳能的相变储能地板采暖系统热性能研究[D];沈阳建筑大学;2012年
中国重要报纸全文数据库 前7条
1 记者田莹;我国无机相变储能技术打破国际垄断[N];中国技术市场报;2010年
2 邹平飞 李坚 特约记者 张家峰;高科技相变储能装饰新材料项目落户庐山区[N];九江日报;2010年
3 记者 伍贤录 特约记者 柏建华;重庆“高交会”纺织项目夺人眼球[N];中国纺织报;2010年
4 沈阳建筑大学市政与环境工程学院 耿耿 李慧星 肖玮 李贝妮;复合太阳能技术成建筑节能重要途径[N];中国电力报;2011年
5 齐强;黑龙江举办墙材新产品新技术新装备发展论坛[N];中国建材报;2009年
6 本报记者 韩益;相变墙实现日光温室节能[N];中国花卉报;2010年
7 李家武;河南精蜡厂特种蜡扩能工程投产[N];中国矿业报;2011年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978