V形翅片及泡沫金属对储热系统内相变材料的传热强化

作     者：王梦然 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邓胜祥

授予年度：2022年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：V形翅片 泡沫金属 潜热储能 管壳式换热器 数值仿真 

摘      要：利用热储能技术可以回收余热,减少能源浪费,缓解能源危机。然而,大多数相变材料的导热系数小,限制了潜热储热体系的热效率。本文围绕相变材料换热强化这一课题,采用V形翅片与泡沫金属作为增强传热的手段,利用数值计算方法系统研究了管壳式储热单元内相变材料熔化过程传热和流动特征。分析了翅片数量、厚度、长度、夹角、分布、以及泡沫金属孔隙率、孔密度和梯度孔隙率布置对储热单元储热性能的影响规律,并通过相变材料的熔化温度分布及随时间变化曲线、液相率分布、液相体积分数随时间变化曲线、单位长度实际储热量和相变储热速率密度评价储热单元的综合储热性能。主要研究内容及结论如下:(1)增加翅片数量、厚度、长度均能提高管壳式相变储热单元的储热性能。随着翅片数量、厚度、长度的增加,储热性能提升效果变弱,储能量减小。当翅片厚度从0.75 mm增至2 mm时,单位长度储能量减少了86.7 k J/m。增加翅片数量和长度的提升效果远远大于增加翅片厚度的效果。在相同储热量情况下,过大或过小的V形夹角的综合性能均较差,当V形夹角为45°综合性能最好。另外,倒立布置的三翅管壳式储热单元要比未倒立布置的储热单元储热性能更好,随着翅片数量增加倒立布置的储热性能变差,在翅片数量五翅与七翅时,V形翅片倒立布置系统综合性能比V形翅片未倒立系统更好。在翅片数量相同的情况下,适当的增加下部翅片数量可有效提升整体熔化速率。(2)泡沫铜的加入极大地提升了储热单元的储热性能。孔隙率为0.9的V形翅片泡沫金属复合材料储热单元中相变材料熔化速率分别比翅片数量对比组中的七翅V形翅片储热单元和翅片长度对比组中的45 mm V形翅片储热单元的熔化速率快4.71倍和1.62倍。低孔隙率比高孔隙率的提升效果更明显,但损失的储热量也更多。提升孔密度可以提高相变材料的熔化速率,但随着孔密度的增加,提高效果减弱。(3)选择合适的两层和三层梯度泡沫铜孔隙率排布可以提升储热单元的储热性能,三层的提升效果要由于两层。将高孔隙率布置在内层,低孔隙率布置在外层的搭配不能起到促进的效果。通过对比所有案例,选择内层孔隙率为0.87、中层为0.90、外层为0.93的梯度孔隙率泡沫金属储热单元储能效果最好,其熔化速率比单层孔隙率的相变材料提升了10.5%。图63幅,表8个,参考文献90篇