基于太阳能利用的相变蓄热水箱结构优化
发布时间：2021-12-17 01:26
为解决因太阳能的不稳定性等因素导致的太阳能蓄热水箱储热/放热能力的不保证性问题,提出采用中低温有机相变材料58号石蜡作为相变蓄热材料的圆台式太阳能相变蓄热水箱。采用计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）数值模拟的计算方法,在保证总蓄水体积（以100 L为例）不变的情况下,对水箱中不同内胆倾斜角度分别为75°、80°、85°、90°、95°、100°、105°的放热过程进行数值模拟,综合对比和分析水箱放热性能模拟结果,得到当倾斜角度为105°时的相变蓄热构件放热性能最佳,可为太阳能相变蓄热水箱的结构优化设计提供理论依据。
【文章来源】：太阳能学报. 2020,41(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
放热初期3种装置相变过程中液相率随时间的变化
在不同时刻、不同倾斜角度条件下，相变材料放能过程中水箱内液相率变化如图5所示（纵轴Y代表相变水箱高度，横轴X均代表相变水箱的直径）。对于同一相变蓄热水箱在蓄热过程中的理论分析：在水箱半径方向上，相变材料区中的石蜡从水箱内胆壁面开始沿径向向外侧逐渐凝固；在水箱轴向方向上，由于受到热浮升力的作用，上层凝固较慢，下层凝固较快。由图5可知，在同一倾斜角度条件下，随着相变材料放能过程的持续，相变材料区液相率逐渐降低。在同一放能时间条件下，随着水箱内胆倾斜角度的增大，相变材料区液相率逐渐降低。图5h所示，当水箱内胆倾斜角度为75°时，在相变材料区的底部靠近水箱外侧区域的石蜡较难实现凝固放热，该区域被称为放热“死区”。由图5g可知，在水箱内胆倾斜角度为105°时，由于热浮升力作用使放热“死区”现象大大减弱。在不同水箱内胆倾斜角度条件下，综合分析相变材料在放能过程中水箱内生活用水温度和石蜡液相率的变化，得出倾斜角为105°装置放热效率最高，竖壁次之，倾斜角为75°装置放热效率最低。
由于本文模型与文献[1]中实验模型具有较高的相似性，为确保本文中模拟结果的准确性，笔者对文献[1]中的楔形蓄热构件的蓄热过程进行模拟验证，选取蓄热工况：热源温度为40℃，相变材料初始温度为19℃。文献[1]中热电偶测点布置如图2a与图2b所示，图2a中左侧壁面代表加热壁面，本模拟中设为定壁温壁面，其余壁面为绝热壁面。本文模拟验证选取温度观测点Th、T12、T56、T78的逐时温度为验证参数，Th为加热壁面温度，模拟验证结果如图2c所示。由图2c可看出在同一蓄热时刻，对于温度观测点T12和Th来说，模拟值与实验值重合度较高，由此说明对于此测点范围内模拟值准确度较高。在同一蓄热时刻，对于观测点T56来说，模拟值低于实验测得值，但最大相对误差仅为4.75%，在误差合理范围内。在同一蓄热时刻，对于观测点T78来说，在蓄热时间小于200 min时，模拟值小于实验值，最大误差为9.02%，误差量可以接受；在蓄热时间大于200 min时，模拟值大于实验值，最大误差为7.57%，在误差合理范围内。由以上分析可得，本文模拟结果与文献[1]中实验结果之间的误差在合理范围内，均小于10%。故本文模拟方法选取得当。3.2 模拟结果分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]相变储能单元融化过程的传热强化[J]. 袁艳平,吉洪湖,杜雁霞. 南京航空航天大学学报. 2008(02)
[2]组合相变储热材料应用于太阳能供暖系统[J]. 王永川,陈光明,洪峰,张海峰. 热力发电. 2004(02)
[3]板式相变储换热器的储换热性能实验研究[J]. 江邑,张寅平,徐继军,江亿,康艳兵. 太阳能学报. 2000(04)
博士论文
[1]基于相变材料熔化特性的蓄热装置强化传热研究[D]. 胡志培.西安建筑科技大学 2015
硕士论文
[1]基于太阳能利用的蓄热水箱设计优化初探[D]. 毛晶晶.西安建筑科技大学 2016
[2]太阳能—相变水箱蓄热系统的运行特性研究[D]. 刘程.西南交通大学 2014
[3]石蜡类相变材料传热性能研究[D]. 邹复炳.上海海事大学 2006
本文编号：3539157
【文章来源】：太阳能学报. 2020,41(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
放热初期3种装置相变过程中液相率随时间的变化
在不同时刻、不同倾斜角度条件下，相变材料放能过程中水箱内液相率变化如图5所示（纵轴Y代表相变水箱高度，横轴X均代表相变水箱的直径）。对于同一相变蓄热水箱在蓄热过程中的理论分析：在水箱半径方向上，相变材料区中的石蜡从水箱内胆壁面开始沿径向向外侧逐渐凝固；在水箱轴向方向上，由于受到热浮升力的作用，上层凝固较慢，下层凝固较快。由图5可知，在同一倾斜角度条件下，随着相变材料放能过程的持续，相变材料区液相率逐渐降低。在同一放能时间条件下，随着水箱内胆倾斜角度的增大，相变材料区液相率逐渐降低。图5h所示，当水箱内胆倾斜角度为75°时，在相变材料区的底部靠近水箱外侧区域的石蜡较难实现凝固放热，该区域被称为放热“死区”。由图5g可知，在水箱内胆倾斜角度为105°时，由于热浮升力作用使放热“死区”现象大大减弱。在不同水箱内胆倾斜角度条件下，综合分析相变材料在放能过程中水箱内生活用水温度和石蜡液相率的变化，得出倾斜角为105°装置放热效率最高，竖壁次之，倾斜角为75°装置放热效率最低。
由于本文模型与文献[1]中实验模型具有较高的相似性，为确保本文中模拟结果的准确性，笔者对文献[1]中的楔形蓄热构件的蓄热过程进行模拟验证，选取蓄热工况：热源温度为40℃，相变材料初始温度为19℃。文献[1]中热电偶测点布置如图2a与图2b所示，图2a中左侧壁面代表加热壁面，本模拟中设为定壁温壁面，其余壁面为绝热壁面。本文模拟验证选取温度观测点Th、T12、T56、T78的逐时温度为验证参数，Th为加热壁面温度，模拟验证结果如图2c所示。由图2c可看出在同一蓄热时刻，对于温度观测点T12和Th来说，模拟值与实验值重合度较高，由此说明对于此测点范围内模拟值准确度较高。在同一蓄热时刻，对于观测点T56来说，模拟值低于实验测得值，但最大相对误差仅为4.75%，在误差合理范围内。在同一蓄热时刻，对于观测点T78来说，在蓄热时间小于200 min时，模拟值小于实验值，最大误差为9.02%，误差量可以接受；在蓄热时间大于200 min时，模拟值大于实验值，最大误差为7.57%，在误差合理范围内。由以上分析可得，本文模拟结果与文献[1]中实验结果之间的误差在合理范围内，均小于10%。故本文模拟方法选取得当。3.2 模拟结果分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]相变储能单元融化过程的传热强化[J]. 袁艳平,吉洪湖,杜雁霞. 南京航空航天大学学报. 2008(02)
[2]组合相变储热材料应用于太阳能供暖系统[J]. 王永川,陈光明,洪峰,张海峰. 热力发电. 2004(02)
[3]板式相变储换热器的储换热性能实验研究[J]. 江邑,张寅平,徐继军,江亿,康艳兵. 太阳能学报. 2000(04)
博士论文
[1]基于相变材料熔化特性的蓄热装置强化传热研究[D]. 胡志培.西安建筑科技大学 2015
硕士论文
[1]基于太阳能利用的蓄热水箱设计优化初探[D]. 毛晶晶.西安建筑科技大学 2016
[2]太阳能—相变水箱蓄热系统的运行特性研究[D]. 刘程.西南交通大学 2014
[3]石蜡类相变材料传热性能研究[D]. 邹复炳.上海海事大学 2006
本文编号：3539157
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