【摘 要】
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太阳能供暖有清洁、环保无害等优点,但也有间歇性和不稳定性等缺点。在实际工程应用中,储热技术是克服上述缺点,提高能源效率的有效途径之一。相变储热单元对于储热系统的传热效率有直接影响,储热系统的传热性能与相变单元的结构相关,更高效的相变储能系统可以通过改善相变单元的结构来实现。本文为提高储热装置传热性能,将主材为石蜡的复合相变材料（Phase Change Material,PCM）封装至各球形相变单
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太阳能供暖有清洁、环保无害等优点,但也有间歇性和不稳定性等缺点。在实际工程应用中,储热技术是克服上述缺点,提高能源效率的有效途径之一。相变储热单元对于储热系统的传热效率有直接影响,储热系统的传热性能与相变单元的结构相关,更高效的相变储能系统可以通过改善相变单元的结构来实现。本文为提高储热装置传热性能,将主材为石蜡的复合相变材料（Phase Change Material,PCM）封装至各球形相变单元中,在控制PCM总质量基本不变时,改变多种变量,对球形相变单元储热装置的传热性能进行实验研究与数值模拟。基于此,研究内容如下:（1）设计了五种不同直径相变单元实物φ70、φ50、φ46、φ38、φ25以及八种不同直径相变单元的物理模型φ70、φ65、φ60、φ55、φ50、φ46、φ38、φ20。研究表明:相变球直径越小,储热装置的蓄/放热效率越高但增幅逐渐减小,根据综合性能最优的原则,选取φ50和φ46为最优直径;随着入口流量的增大以及换热流体（Heat Transfer Fluid,HTF）与PCM温差的增大,储热装置蓄/放热效率逐渐提高。（2）设计了三种层间距变化的储热装置:由下至上层间距为116mm、108mm、93mm、78mm;每层间距均为98.75mm;由下至上层间距为78mm、93mm、108mm、116mm。研究表明:层间距由下至上增大或减小相对于层间距一样的储热装置,蓄/放热效率小幅度的提升或降低。（3）设计了三种不同孔隙率为82.9%、72.36%、89.03%的储热装置。研究表明:随着孔隙率的增大,单个相变球周围HTF扰动增大,HTF与PCM传热速度也随之提高,储热装置的蓄/放热效率就越高。（4）基于相变传热理论建立储热装置的物理模型和数学模型,结合球形单元熔化特性、液相率云图与温度云图分析PCM传热过程,探究了HTF与PCM随时间变化的相变传热机理。本研究采用实验与模拟相结合的方式分析了基于球形相变单元储热装置的热性能及传热机理,设计了多种球形相变储热装置,具有较高的工程应用价值,为今后太阳能供暖系统的应用及优化奠定了理论和实验基础。
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