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《淺論基于復(fù)合相變材料儲熱單元的儲熱特性》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、淺論基于復(fù)合相變材料儲熱單元的儲熱特性儲熱技術(shù)，特別是相變儲熱技術(shù)是合理有效利用現(xiàn)有能源、優(yōu)化使用可再生能源和提高能源利用效率的重要技術(shù)。相變儲熱技術(shù)利用材料的相變潛熱來實現(xiàn)能量的儲存和利用，是緩解能量供求雙方在時間、強度及地點上不匹配的有效方式。為了使相變儲熱技術(shù)得到更進一步的發(fā)展，需要克服包括從儲熱材料到儲熱系統(tǒng)等的一系列問題。對于儲熱材料，需要克服其熱導(dǎo)率低和與封裝材料不可兼容等缺點;對于儲熱單元和儲熱系統(tǒng)，需要克服界面熱阻高、使用壽命周期短和儲/放熱速率不可控等缺點。 1數(shù)學模型 1.1物理模型 復(fù)合材料被制備成實心圓柱體和空心圓柱體兩種形狀分別放置于單管單元體和同心管單元體中。
2、為了對比研究兩種單元體的儲熱性能，保持置放于單元體中的復(fù)合材料體積一致。對于單管儲熱單元，復(fù)合材料直徑為60mm，厚度為15mm。單元筒體長度為300mm，筒體外徑為68mm，壁厚為3mm;對于同心管儲熱單元，復(fù)合材料外徑為62mm，內(nèi)徑為15.6mm，單元體外管直徑為70mm，內(nèi)管直徑為7.6mm，壁厚為3mm，筒體長度同為300mm。 1.2數(shù)學模型 1.2.1復(fù)合材料和傳熱流體的控制方程 由于復(fù)合材料在熱能的存儲過程中，超微多孔通道產(chǎn)生的毛細張力能保持熔鹽在陶瓷基體內(nèi)不流出，能保持材料整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在復(fù)合材料的制備過程中，陶瓷基體被燒結(jié)形成致密的多孔介質(zhì)，熔鹽和熱導(dǎo)率提高材料填
3、充在其產(chǎn)生的空隙中。因此，對于這種復(fù)合材料內(nèi)部的傳熱過程，可以認為是一種微孔介質(zhì)中的傳熱。但是這種多微孔介質(zhì)內(nèi)部的傳熱是一種十分復(fù)雜的物理過程，往往伴隨有顆粒間的熱傳導(dǎo)、微孔間的自然對流及熱輻射。然而，由于微孔所占材料體積比較小，在本文的計算中，發(fā)生在微孔里面的自然對流和熱輻射可以忽略，僅僅只考慮顆粒間的熱傳導(dǎo)，因此，復(fù)合材料和傳熱流體區(qū)域可以簡化成二維模型進行計算。同時為了進一步簡化數(shù)值模型，對模型也做如下假設(shè)：①相變?nèi)埯}只有一個熔點;②傳熱流體的熱物理參數(shù)為常數(shù)且被認為是牛頓流體;③傳熱流體的入口速度和入口溫度均勻且為常數(shù);④儲熱單元體內(nèi)復(fù)合材料模塊間存在很薄的空氣層，并以此來計算其間的接
4、觸熱阻。 1.2.2邊界條件和初始條件 本文選取制備復(fù)合材料的原材料及單元體封裝材料的物性參數(shù)。計算過程中，進口采用速度進口邊界條件，出口采用自由流出口邊界條件(壓力梯度為0);吸熱過程中，入口傳熱流體溫度固定為873K，復(fù)合材料初始溫度為473K;放熱過程中，入口傳熱流體溫度固定為473K，復(fù)合材料初始溫度為873K。除既定設(shè)置壁面外，其余外壁采用絕熱壁邊界條件?！ ?實驗驗證和實驗過程 為了驗證數(shù)學模型的正確性，本文以單管儲熱單元為實驗對象搭建了實驗平臺來進行驗證。實驗裝置由3部分組成，即加熱爐、單管儲熱單元和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。不銹鋼加熱爐的內(nèi)徑為0.22m，長度為1.4m，外壁包裹著絕
5、熱材料。裝滿復(fù)合儲能材料的單管儲能單元體放置于爐子中心?？諝庾鳛閭鳠崃黧w被燃氣加熱后通過進氣管進入爐腔，其流量通過入口的流量計來控制?？諝獾娜肟跍囟燃皢喂軆釂卧w內(nèi)的溫度測量采用K型鎧裝熱電偶。吸熱過程中，空氣的入口流量保持為30.1Nm3/h;放熱過程中，空氣的流量保持為28.5Nm3/h。對于吸熱過程，當爐中所有熱電偶所測溫度與傳熱流體溫度一致時，視為儲熱單元體吸熱完成;同樣對放熱過程，當所有熱電偶測的溫度與流體溫度一致時，視為儲熱單元體放熱完成?！ ?數(shù)值模擬結(jié)果與分析 3.1模擬結(jié)果和實驗結(jié)果比較 可以看出，實驗結(jié)果和模擬結(jié)果比較吻合。對于儲熱過程，儲熱單元里的溫度變化經(jīng)歷3個階
6、段。第一階段為顯熱儲熱階段，溫度快速上升達到相變溫度;第二階段為相變儲熱階段，此時相變發(fā)生，溫度保持在相變材料的相變溫度;第三階段為顯熱儲熱階段，溫度相變溫度上升達到傳熱流體的溫度?？梢钥闯觯瑥?fù)合材料在2700s時開始相變，整個相變過程持續(xù)時間約為2000s。同樣地，對于放熱過程，儲熱單元里溫度也經(jīng)歷3個過程。放熱開始時，溫度快速下降直至相變點，然后保持到相變開始，此時復(fù)合材料中的相變材料由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。之后溫度繼續(xù)下降到與傳熱流體一致。同時從圖中還可以看出，對于測點T1和T2，不管是儲熱過程還是放熱過程，兩點溫度變化曲線比較接近。這是因為添加了熱導(dǎo)率提高材料，復(fù)合材料熱導(dǎo)率比較高，所以其儲熱
7、和放熱過程比較快。這也驗證了之前的假設(shè)是可行的，復(fù)合材料中的傳熱主要以導(dǎo)熱為主，發(fā)生在微孔里面的自然對流和熱輻射可以忽略。由于在實驗過程中，對于儲熱單元體，石墨顆粒用于填塞復(fù)合材料與管壁之間的縫隙，因此其真實熱導(dǎo)率是要大于模擬計算值的，這也是實驗結(jié)果中儲、放熱過程要快于模擬結(jié)果的原因。實驗和模擬結(jié)果的對比說明了本文的計算模型能用于復(fù)合材料和儲熱單元體內(nèi)傳熱特性的計算?！ ?.2復(fù)合材料物理屬性的影
