【摘 要】
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相变材料作为储能介质的潜热蓄热系统由于具有较高的储能密度和较强的恒温储能能力而备受关注。然而,相变材料的低导热性能限制了相变过程中热传递的效率,严重制约着相变蓄热器的热性能。为了克服相变材料换热性能差的问题,通常采用翅片强化传热技术来拓展传热表面积。目前国内外的相关研究更多的集中在环形翅片、矩形翅片等常规翅片结构的研究上,而本文创新性地引入了螺旋翅片结构与穿孔结构来进一步强化相变材料的换热能力,改
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相变材料作为储能介质的潜热蓄热系统由于具有较高的储能密度和较强的恒温储能能力而备受关注。然而,相变材料的低导热性能限制了相变过程中热传递的效率,严重制约着相变蓄热器的热性能。为了克服相变材料换热性能差的问题,通常采用翅片强化传热技术来拓展传热表面积。目前国内外的相关研究更多的集中在环形翅片、矩形翅片等常规翅片结构的研究上,而本文创新性地引入了螺旋翅片结构与穿孔结构来进一步强化相变材料的换热能力,改善管壳式相变蓄热器的对流换热强度和综合热性能。主要包括以下几个方面:本文以管壳式相变蓄热器为研究对象,设计并建立了不同翅片结构的相变蓄热器物理模型,并采用石蜡RT55作为相变材料进行填充。实验测试了相变材料和翅片结构的基本热物理属性,总结了相变蓄热器综合热性能评价的指标及其计算方法。通过建立实验研究的系统平台,实验研究了无翅片相变蓄热器、复合实心环形翅片和实心螺旋翅片的相变蓄热器的传热特征并综合比较了其热性能。结果表明:复合翅片结构后相变蓄热器的熔化与凝固时间缩短,平均温度、平均传热率和综合热效率都得到了显著提高。但翅片结构限制了蓄热器内相变材料的自然对流,导致平均热流密度下降。相比于实心环形翅片相变蓄热器和无翅片相变蓄热器,实心相变蓄热器的综合热性能更佳,熔化与固化速率提高,热效率达到了66.4%,翅片效率比环形翅片结构高出32.8%,综合热性能得到了大幅提高。但其在蓄热过程中的传热优势较小,对流换热能力较弱,需要进一步增强。基于实心螺旋翅片的不足之处,引入不同孔径大小的穿孔结构来强化螺旋翅片相变蓄热器的内部自然对流,提高其综合热性能。比较分析了不同孔径大小、热流体温度、体积流量变化对于螺旋翅片相变蓄热器的影响规律,推荐了最佳工况条件。结果表明:穿孔螺旋结构在蓄热过程中可以有效改善相变蓄热器的对流换热能力。在相同穿孔面积下,更大的穿孔孔径对于螺旋翅片相变蓄热器热性能的提升效果更显著。大孔径的穿孔螺旋翅片结构在减少了29.3%的传热面积下获得了更高的热增益,其中平均努塞尔数比实心翅片结构高出44.0%,传热速率提高4.7%～8.2%,在经济成本和蓄热性能上更具优势。而在放热过程中,三种螺旋翅片相变蓄热器在单位面积上的传热贡献差别不大,但实心螺旋翅片相变蓄热器的有效传热面积更大,放热速率更快。提高体积流量可以提高螺旋翅片相变蓄热器的热性能。但与流量变化相比,热流体温度变化对于螺旋翅片相变蓄热器的影响更大。最后,本文还对螺旋翅片相变蓄热器的倾斜角度、热流体入口位置等外界条件进行了比较研究,并推荐了具有最佳热性能的倾角构型,以满足实际工程应用中的需要。结果表明:倾斜角度为0°的垂直式螺旋翅片相变蓄热器热性能优于其他倾角构型。优化倾角后,相变蓄热器的平均传热速率和平均热流密度在蓄热过程中分别增加21.6%～49.6%,在放热过程中分别增加21.5%～41.6%,综合热效率提高27.3%～44.3%。螺旋翅片相变蓄热器采用顶部作为热流体入口可以获得最佳的综合热性能,特别是在放热过程中优势明显。
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