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分腔肋片强化相变蓄热器性能研究

分腔肋片强化相变蓄热器性能研究

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作者：朱哲昊东北电力大学

学位级别：硕士

相变储热(LHTES)系统由于蓄热密度大,温度波动范围小,其是解决太阳能热储存间歇性和不稳定性的关键技术。在电厂调峰,智慧节能建筑等方面具有广阔的发展前景。目前,广泛使用的水平套管式LHTES单元的底部相变材料(pcm)熔化缓慢导致其整... 详细信息

相变储热(LHTES)系统由于蓄热密度大,温度波动范围小,其是解决太阳能热储存间歇性和不稳定性的关键技术。在电厂调峰,智慧节能建筑等方面具有广阔的发展前景。目前,广泛使用的水平套管式LHTES单元的底部相变材料(pcm)熔化缓慢导致其整体蓄热效率较低,限制了其进一步的推广。本文针对这个问题,对水平式套管相变蓄热器的结构进行优化设计,并开展了以下研究工作:本文首先在第3章提出了一种底部分腔肋片设计,以改善传统水平套管式LHTES单元(Case 1)底部熔化缓慢的问题。即利用不同角度的对称分腔肋片(120°,90°,60°)将环形空间分隔成上下两个体积不等的扇形区域的方式,以进一步改善底部熔化进程。其中,扇形区域填充的相变材料(pcm)为pcm 1。结果表明这三种分腔肋片LHTES单元(Case 2-t,Case 2-n,Case 2-s)相较于Case 1都可以在不同的程度上改善各项热力学性能。其中Case 2-s的各项性能达到最佳,其次是Case 2-n,再次是Case 2-t。然而,分腔肋片LHTES单元的上/下扇形区域的完全熔化进程仍不同步。因此,有必要进一步优化蓄热单元结构。然后根据以上存在问题,本文第4章在分腔肋片LHTES单元的基础上,利用分腔肋片构造了非均匀不同组合比例(2:1,3:1,5:1)的上下级联pcm相变蓄热单元。以进一步同步上/下扇区的完全熔化进程。其中,上部扇形区域填充的相变材料为pcm 1,下部扇区填充的相变材料为pcm 2。研究结果表明,这三种分腔肋片上下级联式LHTES单元(Case2-T,Case 2-N,Case 2-S)相较于Case 1都可以在不同程度上改善完全熔化均匀性,温度场均匀性,以及各项热力学性能评价指标。对于分腔肋片上下级联式LHTES单元来说,Case 2-N结构可以在扇形区域内几乎同时熔化两种pcm,达到了最佳的熔化性能。然而,Case 2-S在减小熵产数,提高(火用)效率方面更有优势。此外,在不同的传热流体(HTF)工况下,Case 2-N都保持着最佳的熔化性能,而Case 2-S的(火用)性能更有优势。另外,增加HTF的进口温度与质量流量可以强化传热速率,但(火用)效率会有所减少。最后,为了详细解释分腔肋片上下级联式LHTES单元的优越性的原因,本文在第5章挑选了一种典型蓄热单元Case 2-N,并将其与Case 2-n,Case 1的热力学性能进行对比。结果表明,相较于Case 1与Case 2-n,Case 2-N不仅达到了最佳的完全熔化均匀性,温度场均匀性,其各项热力学性能评价指标也有较为明显的改善。这主要归因于高导热性的分腔肋片与低熔点的pcm 2的联合强化作用进一步改善了Case 2-N下部扇区的传热性能与熔化进程,更好的平衡了上/下扇形区域的传热速率。本文结果可为水平套管式LHTES单元的结构优化提供一定的参考价值。

关键词：数值模拟分腔肋片上下级联pcm 相变蓄热热力学性能

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