《第09讲相变贮能装置热设计方法》精选课件.ppt

中国科学技术大学相变贮能讲义 PCM贮热装置热设计方法 焦冬生 热科学与能源工程系 内容 相变贮能装置容量设计的一般准则 相变材料的封装 分布式相变贮能床设计 贮能床压降和泵功的确定 换热器 按照传送能量的方法： 间壁式：热流体和冷流体间有一固体壁面，一种流体恒在壁的一侧流动，而另一流体恒在壁的另侧流动，两种流体不直接接触，热量通过壁面而进行传递。 混合式：依靠热流体和冷流体的直接接触而进行传热； 蓄热式：其中也有固体壁面，但两种流体并非同时而是轮流地和壁面接触，当热流体流过时，把热量蓄于壁内，其温度逐渐升高，而当冷流体流过时，壁面放热，其温度逐渐降低，如此反复进行，以达到热交换的目的。 流动方式 顺流式（并流式）：两种流体平行地向着同一个方向流动； 逆流式：两种流体也是平行流动，但它们的流动方向相反； 流动方式 错流式：两种流体的流动方向相互垂直交叉。当交叉次数在四次以上时，可根据两种流体流向的总趋势将其看成是顺流或逆流； 混合式：两种流体在流动过程中既有顺流部分，又有逆流部分； 管壳式换热器 稳态传热的基本方程式为 热负荷 总传热系数 对数平均温度差 阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力计算式可得。但管程总的阻力应是各程直管摩擦阻力、每程回弯阻力以及进出口阻力（可忽略不计 ）三项之和 Ft－结构校正系数；Ns－串联的壳程数，指串联的换热器数；Np－管程数 阻力 对于壳程阻力的计算，由于流动状态比较复杂，计算公式较多，计算结果相差较大。 -流过管束的阻力损失，； -流过折流板缺口的阻力损失，； Fs-壳程阻力结垢校正系数，对液体可取Fs=1.15，对气体或可凝蒸汽取Fs=1.0；Ns-壳程数； 换热器分析 有效度是一个换热器的实际传热速率与最大传热速率之比。 最大可能传热速率：从原则上讲，是一个无穷长的逆流换热器可以达到的传热速率。 换热器分析 传热单元数NTU-是流体间平均温差为1 度时的传热速率与两种流体中热容量流率较小的流体温度改变1度时的传热速率之比值。 对于任何换热器，可以有 热管换热器 贮热换热器理论基础 相图 结晶动力学 传热计算 贮热换热器试验基础 圆管 矩形 简单区域中的相变传热（水平圆管内熔化） 由于固态PCM的密度大于液态PCM的密度，熔化过程中，固态PCM不断下沉。 以开始熔化t=0时的固态Mf圆心为参考，上界面与管壁顶端的距离 简单区域中的相变传热（水平圆管内熔化） 物理和数学模型 利用质量守恒和动量守恒 假设： 底层狭层区域的流动是准稳态流动 径向压力梯度、流动速度忽略 体积力可忽略 流体密度为常数 层底流体对固体PCM的托力等于所受重力和浮力之差 解方程 液态PCM质量的比率 方程（1-4）可计算溶化过程中几乎所有的重要参数。 适用条件为 水平椭圆管， 由于椭圆与圆、球不同，没有固定的半径，因而难以得到其管内接触熔化问题的解析解。 采用分段圆弧法， 水平椭圆管 定义 椭圆管熔化率 对于固体顶部的非接触融化距离 即对半径为r2的圆弧,D=0.1,得 熔化过程中的平均Nusselt数 熔化过程的平均Nusselt数 无量纲 求解 以上各式均为复杂的积分或微分方程，没有显式解．因而需要通过数值计算求得。 其步骤为：当 时 将式(5．298)与(5．299)代入式(5-301)，求得 的变化规律。 求 的 值作为式(5.302)的积分边界条件，进而得 的变化规律 将1与2步骤求得的 分别代人式(5．297)、(5.304)可求得熔化率 及平均 数 当 时，以上各量从步骤2开始计算： 结果 实际影响因素 自然对流对相变传热的影响 实验 熔化和凝固 雷诺数大于1700时产生自然对流。 水平管，竖直管、板；矩形腔内，水平管内，球内的试验，经过短暂的导热阶段后，自然对流将产生和发展。 新相的体积 埋于n-octadecance（18）中水平圆管加热器所熔化的体积 水平面从下往上的熔化（无自然对流），平板熔化层的厚度 n-eicosane（20）在竖直圆管上由传导控制的凝固 传热系数 局部传热系数 用阴影法测得的均匀加热水平管的局部传热系数 加热面传热系数 相界面传热系数 水平圆柱热源准稳态熔化时界面局部传热系数 所埋圆柱熔化时的周向平均传热系数 从圆柱外高度为L的环形区间的外表面加热熔化 相界面位置 从下部加热熔化或从上部