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青岛科技大学研究生学位论文

翅片管式蓄热器内固液相变传热研究

摘要

我国是制造业大国，在工业部门生产、加工产品的过程中，会产生大量的余

电、废热。而回收使用废热可以大大提高电能使用率，从而降低了我国的能耗负

荷。移动式的潜热蓄能设备，可以克服热能需求双方在时间、地点和强度方面不

相匹配的问题，为回收使用余热做出了贡献，从而彻底改变了传统的供暖方法。

但是,由于相变材料的热导率非常低，大大影响了潜热蓄能系统的推广应用。

本文设计的翅片是为了提高蓄热速率，破除蓄热“瓶颈”。使用ICEMCFD

软件对蓄能单元进行几何建模、网格划分、并完成网格独立性与可靠性验证；使

用Fluent中的Solidification/Melting模型进行融化模拟；使用CFD-Post对结果进

行后处理。通过以上方法，最终得到含有翅片的蓄能装置所需要总的熔化时间、

液体分数的变化速率、温度和液体分数云图、熔化相变材料的最大速度、温度和

液体体积分数的均匀性参数进行分析蓄能效率的变化情况。表明含有RT56石蜡

相变材料的蓄能装置在添加翅片之后，相变材料的熔化速率得到了提高。其中熔

化过程是从上到下沿着翅片形状进行的，由于熔化了的相变材料受重力影响在向

下的过程中会对上部造成扰动，形成自然对流作用，因此能够缩短上部相变材料

熔化所需要的时间。而装置的下部只受到了热传导的作用，所以只能依靠翅片来

优化传热通道。在本文中，研究了17种翅片，包括翅片形状、长度、宽度、角

度。探究出Y型翅片应布置在蓄能装置的下部；分支翅片从内管到外管的长度

变化应该由短到长；翅片长度和角度的改变比宽度的改变更能提高蓄能效率；蓄

能装置底部相变材料的熔化在整个蓄能单元熔化中占据非常重要的地位；相同的

翅片形状对比，含有自然对流作用的蓄能系统中翅片增强换热效果明显高于只含

有导热作用的系统。

根据移动式热能蓄存系统的基准设计和数值模拟，对青岛某热电厂实施的移

动式热回收系统的成本和效益进行了估计。结果表明，低成本的移动式热能蓄存

是小型燃煤锅炉加热的最佳方式。

关键词：翅片；移动式蓄能系统；相变蓄热；数值模拟；强化传热

I

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目录

1绪论1

1.1课题研究背景与意义1

1.1.1引言1

1.1.2我国工业能耗与余热资源的现状与分析2

1.1.3蓄热技术应用3

1.2国内外相变蓄热技术研究进展4

1.2.1移动蓄热技术4

1.2.2蓄能换热器的结构和强化传热技术6

1.3本文研究目的和主要内容9

1.3.1研究目的9

1.3.2研究内容9

2相变换热求解与模拟方法11

2.1相变换热理论11

2.1.1相变换热特点11

2.1.2相变换热求解12

2.1.3PCM的选择15

2.2相变问题的数值模拟方法16

2.2.1Fluent软件介绍16

2.2.2Solidification/Melting模型17

2.2.3数值计算方法17

2.3实验验证18

2.4本章小结20

3Y型翅片强化相变传热过程数值模拟22

3.1几何模型和数学模型22

3.1.1Y型翅片管蓄能单元的物理模型22

3.1.2数学模型23

3.2模型网格划分和边界条件26

3.2.1网格划分26

3.2.2初始和边界条件26

3.2.3网格与时间步长的独立测试28

3.3模拟结果分析与讨论28

V

翅片管式蓄热器内固液相变传热研究

3.3.1Y型翅片的熔化速率和总的熔化时间28

3.3.2熔化过程的机理分析31

3.3.3蓄能装置单元的均匀性37

3.4本章小结43

4分支翅片强化相变传热过程数值模拟44

4.1几何模型和边界条件44

4.2模拟结果分析与讨论46

4.