基于管式相变蓄热装置强化传热性能研究

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太阳辐射能通过相变蓄热技术即相变材料(Phase Change Material,PCM)在蓄热装置中发生相变将热量储存于蓄热装置中,从而解决了太阳能间歇性、不稳定性的问题。蓄热装置结构的优劣往往可以决定装置的蓄/放热性能,蓄热装置主要分为分散式与整体式,整体式相变蓄热装置因其单位体积蓄热量大、PCM不易泄露、加工工艺简单等优势成为国内外目前研究的重点。为提高整体式蓄热装置的蓄/放热性能,本文对恒定螺距螺旋盘管蓄热装置与直管式蓄热装置进行结构优化,基于此开展了以下研究工作:1)对蓄热装置进行结构设计,确定箱体高800mm、直径250mm,盘管内径10mm、壁厚1mm、曲率半径150mm、圈数15。针对恒定螺距螺旋盘管管程长、出口温度与入口温度温差较大的问题对其螺距进行优化,设计出渐变式螺旋盘管,并确定最优渐变螺距:d1=17mm、dn+1=dn+C、C=4.238mm、d15=76.332mm。在两种蓄热装置复合PCM石蜡质量、盘管圈数、曲率半径、盘管高度一致的情况下,通过改变入口流速、入口温度、入口方式探究两种蓄热装置的蓄/放热特性,结合温度云图及液相率曲线分析了换热流体(Heat Transfer Fluid,HTF)与PCM的传热过程。研究表明:蓄/放热效率随着入口流速、PCM与HTF之间温差的增大而增大;下进上出入口方式较上进下出方式放热效率有一定提高;在不同工况下渐变式螺旋盘管蓄热装置蓄/放热效率较恒定螺旋盘管蓄热装置均有较大提升。2)对单相直管式蓄热装置进行结构改进,设计出由三种PCM填充的三相直管式蓄热装置。设计中沿HTF的轴向方向,由下至上依次布置相变温度为61℃、57.5℃、49℃的复合PCM石蜡,通过管壁温度分布云图确定由下至上不同PCM的体积分别占总体积的1/6、1/3、1/2。不同工况下实验结果表明:三相直管式蓄热装置在蓄热过程中可将HTF的温度逐步降低至接近末级PCM的相变温度,解决了单相直管式蓄热装置PCM沉降问题,且蓄热效率较单相直管式蓄热装置有大幅度提升。本文采用实验和模拟相结合的方式探究了管式蓄热装置的蓄/放热性能以及分析了HTF与PCM传热过程,设计出与PCM耦合度更高的整体式蓄热装置,为今后整体式蓄热装置在太阳能供暖系统中的应用及优化奠定了理论和实验基础。
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