[01227847]高效热泵相变储热器动态特性分析及强化传热研究

近年来随着我国城市化建设的快速发展,能源短缺已成为我国社会主义建设实现可持续发展所面临的重大阻碍。太阳能作为一种清洁、可再生能源,因其表现出来的优异特性受到了国际上一致重视。然而其自身分布不均以及间歇性等缺陷,使得直接热利用有着很大难度。储能技术通过对能量的存储和释放,解决了太阳能利用系统中供给侧时间和强度上的匹配矛盾,有效提高了太阳能资源的利用率。其中相变储能技术因其蓄热密度大、热量输出稳定等特点在多个行业中都有着广泛应用。 项目基于我国北方地区冬季采暖负荷大的现状,提出将太阳能集热系统和室内供暖系统进行有有机组合,构建出太阳能低温地板辐射供暖系统。利用我国北方地区冬季较强的太阳辐射能,作为室内供暖末端的输入热源,在实现了节能减排的同时也避免了化石燃料利用所带来的环境污染。针对目前因相变材料低导热特性的影响,相变储能器换热性能普遍较低的现状,本项目从换热器的形式结构优化出发,利用相变材料在传热过程中具有的熔化特性实现对储能换热器的运行性能的增强。分别研究了多管束储能换热器的管材尺寸、分布及肋片类型对换热效果的影响,探讨了储释能效率与温差、结构尺寸等变量之间的关系。 研究结果表明：1)在蓄热工况下,多管束壳管式换热器与单元式相比,管间热扰作用更易促进自然对流的形成和发展。热管和相变材料之间换热方式交替以对流、导热为主,采用小尺寸热管会缩短储能时间但单位面积换热强度有明显下降。另外,换热温差≥20℃时,其强化效果开始衰减,对流换热量占比有所下降。2)在放热工况下,导热作为主导换热形式贯穿整个释热过程。其凝固死角位于换热器的顶部区域,这与蓄热工况正好相反。3)在蓄热工况下,肋片的存在极大的增大了对流传热的强度,同时也影响着相变界面的形成和发展。相变材料的融化速率与肋高的增长呈正相关,但存在着最优值。4)肋片在放热过程中会通过作用于液相部分流场而影响到相比材料的凝固速率和凝固总量。在同等换热面积下,双肋式在三种肋形结构中有着明显的利用优势。 其研究结果已发表在太阳能学报（EI）和工程热物理协会（会议论文）上。 项目重点研究了实现相变过程中传热有效增强的措施,与传统强化方式的出发点不同,项目基于相变材料的自身物理特性,充分利用了相变过程中材料的自然对流作用实现对换热的增强。以多管束壳管式换热器为例,采用数值模拟的方法对相变材料在蓄热和放热过程中的相界面扩移和流场发展情况作了细致研究。此外,对太阳能低温供暖系统的实际工程运用也做了分析探讨,计算了该系统的经济、环境效益,采用肋片强化热管后,导热仍是凝固过程中的主导换热形式,但肋片会通过作用于液相部分流场而影响到相比材料的凝固速率和凝固总量。在同等换热面积下,双肋式在三种结构类型中有着明显的利用优势。当肋高选用1.5时,缩短了80%的放热时间,同时凝固总量也提升至87%,高出光管的76%,有良好的强化效果和经济性能。