十六胺为基的相变材料的传热数值模拟与传热强化
作者单位：兰州理工大学
学位级别：硕士
导师姓名：姜丽丽;杨斌
授予年度：2023年
学科分类：08[工学] 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）]
摘 要：随着现代工业的急速发展,环境和能源问题变得日渐突出,蓄热技术是有效减缓这两大问题的途径之一。在多种蓄热技术中,相变储能因蓄热密度大,温度恒定等优点而成为蓄热领域的研究热点。蓄热技术的研究包括蓄热材料和蓄热单元的研发两个部分。常见的蓄热材料的导热性能都比较差,这使得相变速率非常缓慢,因而采取有效的强化措施来提高相变材料的换热速率是必须的手段之一。本文选取十六胺(hexadecylamine,HDA)为相转变材料(Phase change materials,PCMs),通过Fluent软件计算三种强化技术增强PCMs的储-放热速率,研究温度,液相体积分数,流速等的变化。主要包括:三维石墨烯(three-dimensional graphene,GA)与HDA形成复合相变材料(Composite phase change material,CPCMs)的储-放热过程,纳米颗粒AlO添加到HDA中增强换热过程,管壳中添加翅片提高换热面积进行优化设计的换热过程。通过数值计算的方法考察探究PCMs的储-放热特性与相变吸收热量和释放热量的储存单元的设计优化问题。研究结果如下所示:(1)本章以HDA和HDA/GA CPCMs为蓄热介质,首先建立二维的卧式管模型,进行网格和时间步长的验证,确定合理的步长和网格数,以确保计算的准确性。并采用Fluent软件研究了相变过程中的液相分数、温度、速度分布、流线和内能随时间的演化规律。在HDA蓄热的过程中换热以自然对流方式为主,而HDA/GA CPCMs则以导热换热为主。结果显示,HDA/GA CPCMs的流动速率比纯HDA的流动速率慢约400倍,这极大地削弱了自然对流效应,但直接改善了纯HDA的导热性能。相较于HDA,HDA/GA CPCMs完成固-液相变的时间比HDA缩短了79.5%。而HDA/GA CPCMs的凝固时间比HDA缩短1.8%。以上结果表明GA的加入加快了热量传输和热量释放的速率。经研究得出HDA/GA CPCMs可以用于回收低温的余热资源,为进一步研制低温余热回收的方法奠定了科学基础,并为今后的工程设计提供了理论指导。(2)本章选取AlO作为增强颗粒,并建立了三维管壳式相变模型,以HDA和AlO/HDA CPCMs为蓄热介质,并采用Fluent软件研究了在HDA中添加不同体积浓度(1%,2%,3%,4%,5%)的AlO的CPCMs的相变过程中的液相分数、温度随时间的演化规律。结果显示在600 s之前,AlO/HDA CPCMs在蓄热的过程中以导热换热为主。在800 s时,不同体积浓度(1%,2%,3%,4%,5%)的AlO添加的AlO/HDA CPCMs均出现自然对流换热。导致界面的顶部快速融化。相较于其他体积浓度(1%,2%,3%,4%)的AlO添加的AlO/HDA CPCMs,5%的AlO添加的AlO/HDA CPCMs由固相完全转变成液相所需的时间要少的多,仅为987.2 s。这是由于AlO具有很高的导热系数,并且与HDA充分接触,进而加速了HDA的融化过程。研究显示,体积浓度为1%,2%,3%,4%和5%的AlO添加的AlO/HDA CPCMs的完全融化时间分别为1098.4 s,1074.2 s,1045.4s,1014.2 s和987.2 s,融化速率相比纯HDA分别增加了72.8%,73.4%,74.2%,74.9%和75.6%。表明,随着AlO/HDA CPCMs中AlO体积浓度的不断增加,CPCMs的融化速率逐渐增加。在凝固过程中,体积浓度为1%,2%,3%,4%,5%的AlO添加的AlO/HDA CPCMs完全放热时间比HDA分别减少了73.4%,74.1%,74.8%,75.5%和76.3%。相较于纯的HDA,添加AlO颗粒后都在不同程度上缩短了放热时间。在整个凝固过程中,CPCMs的凝固速率随着AlO颗粒的比例增加而增加。在本研究中,体积浓度5%的纳米颗粒的增强作用最强。(3)采用翅片装置对换热过程进行优化,建立了以HDA为PCMs的翅片强化管壳式蓄热单元的数学模型来模拟换热过程中蓄热单元内流场的分布,液相体积分数的变化以及温度场分布。与无翅片的蓄热单元的换热结果进行比较。同时探究翅片的参数(翅片的数量,翅片的高度和翅片的厚度)对HDA的蓄放热过程的影响。结果表明有翅片的蓄热单元装置比无翅片的蓄热单元装置的蓄热速率提高了60%,并分析了换热单元的不同参数,即翅片的数量、高度以及厚度对PCMs的换热过程的影响。最终确定HDA翅片管换热结构的最佳翅片数量,翅片高度和翅片厚度。最终的结构参数为:数量是10,高度是h=17 mm,厚度是d=2 mm的翅片更有利于强化传热。
同方学位论文库