潜热型功能流体储热特性实验与数值模拟研究

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潜热型功能流体是相变材料微粒和单相传热流体混合构成的两相流体,主要包括相变微乳液和相变微胶囊悬浮液等。由于潜热型功能流体有着较大的表观比热容及比表面积,使得其在储热和传热领域存在较大的应用潜力。近年来,功能流体的制备、物性研究、传热以及其在储能技术上的应用成为研究的热点。  本文首先通过采用密度控制和加入分散剂的方式,制备了一种具有高稳定性的相变微胶囊悬浮液。通过比较和筛选,选择确定了质量浓度为0.4%的海藻酸钠和质量浓度为0.2%的十二烷基硫酸钠作为混合分散剂,使该悬浮液可以保持长期稳定。继而,以此方法制备了不同质量浓度的相变微胶囊悬浮液,测量其在不同温度下的粘度和导热系数,并对测量结果进行比较和讨论,选择了可利用的质量浓度为10%、20%和30%。  随后,本文建立了相变微胶囊悬浮液储热系统实验台,进行自然对流换热和储热的实验研究。通过改变所使用的悬浮液的相变微胶囊的质量浓度、热源温度、热源流量及换热器管道数量,研究各因素对自然对流储热和换热效果的影响。结果表明,在相同的实验条件下,相变微胶囊悬浮液的对流换热系数随着质量浓度的升高而减小;热源温度越高,热源进口流量越大,换热面积越大时,自然对流强度越大,储热速度越快;与基液相比,由于相变微胶囊悬浮液存在较大的相变潜热,所以当储热温度高于相变温度时,相变微胶囊悬浮液的总储热量增大。  利用实验中的条件和初始状态参数,采用数值模拟的方式,对不同质量浓度的相变微胶囊悬浮液在方腔中的自然对流换热和储热特性进行了研究。首先采用二维模型,对变工况条件下的储热过程进行了近似数值模拟。继而采用三维模型模拟了实际实验系统中的条件下的对流换热情况,得到了不同质量浓度相变微胶囊悬浮液的储热及换热性能。结果表明,相变微胶囊悬浮液在管束式换热器作用下自然对流存在导热—准稳态—衰减3个阶段,在准稳态阶段的换热系数随着质量浓度的升高而降低;另外,管束式换热器的管道在方腔中的位置对储热和换热过程均有影响。换热器距方腔底面越近,换热器各管道间的距离越小,其对流换热系数越大,储热进程越快。
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