直接式蓄热传热强化的实验以及模拟研究

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1、天津大学硕士学位论文直接式蓄热传热强化的实验以及模拟研究ExperimentalandNumericalSimulationStudyonTheHeatTransferEnhancementofDirect-ContactThermalStorageSystem一级学科：动力工程及工程热物理学科专业：热能工程作者姓名：赵栋指导教师：赵军教授天津大学机械工程学院二零一五年十二月中文摘要近些年来随着社会的快速发展以及人民生活水平的提高，建筑能耗呈现直线增长趋势，但是由于受到供暖管网的限制，南方大部分地区以及乡村地区无法实现集

2、中供暖，在这些无法进行集中供暖的地区，一般采用燃煤、燃油或者燃气系统。这类小型系统效率低、污染大，而且成本较高，经济性极差。另一方面，钢厂、电厂、冶金厂等工业产生大量的工业余热，这是对能源的极大浪费，而且也造成了一定的环境污染；此外，当前对于太阳能的利用主要集中在高温区域，而中低温太阳能并没有被充分利用起来。上面所述的工业余热以及中低温太阳能的温度主要集中在100℃~200℃，处于这一温度段的工业余热以及太阳能完全能够满足建筑物供暖的需求。但是无论是工业余热还是太阳能都存在着能量密度低以及间歇不稳定的缺点，直接用于供暖热

3、源的话很难保证供暖的稳定性。为了保证供暖系统的稳定性，必须使用蓄热系统，将工业余热以及太阳能的热量蓄存在蓄热系统中，为供暖系统提供一个稳定的热源。针对中低温蓄热，根据蓄热材料的相变温度、相变潜热、稳定性以及安全性、经济性选择赤藻糖醇作为蓄热介质。但是赤藻糖醇的导热系数较小，严重影响了系统的蓄放热速率，所以必须采用有效措施对蓄热系统的传热进行强化。论文通过向赤藻糖醇中添加膨胀石墨制备了导热增强型复合材料，并通过实验以及模拟的方法，研究了膨胀石墨/膨胀石墨复合相变材料在直接式蓄热系统中的蓄热特性。本文研究的主要内容和结论如下

4、：（1）通过熔融共混法制备了膨胀石墨/赤藻糖醇复合相变材料，对膨胀石墨/赤藻糖醇的基本热物性进行了测试，包括DSC测试，导热系数测试，对不同膨胀石墨含量的复合材料的相变温度、相变潜热、导热系数进行了比较；（2）通过实验对复合材料的熔化-凝固特性进行了研究及分析；（3）通过实验研究了以赤藻糖醇和复合材料作为蓄热介质的直接式蓄热系统的蓄热特性，通过研究发现采用膨胀石墨质量分数为3%的复合材料，充热过程相变材料熔化速度明显加快；（4）对直接式蓄热系统的蓄放热过程进行了实验研究，通过实验发现在整个蓄放热过程中蓄热时间远远大于放热

5、时间，而且复合材料并不能显著的缩短放热过程的时间，所以强化换热的研究重点应在蓄热过程上；（5）建立了直接式蓄热二维模型，对蓄热过程进行了数值模拟，模拟结果表明赤藻糖醇/膨胀石墨复合材料可以缩短蓄热时间，但是并不是膨胀石墨的质量分数越大越好；I（6）通过电加热棒形成快速流道，能够极大缩短直接式蓄热器的蓄热时间，蓄热时间减少30%以上。关键词：相变；蓄热；直接式；膨胀石墨；传热强化IIAbstractInrecentyears,thebuildingenergyconsumptionshowedatrendoflinearg

6、rowthwiththerapiddevelopmentofsocietyandtheimprovementofpeople’slivingstandards.Butmostofthesouthandruralareascannotachievecentralheatingsubjecttotheconditionsofheatingpipenetwork.Peopleoftenusecoal,oilorgassystemsforheatingintheplaceswhichcannotachievecentralhea

7、ting.Thesekindsofsystemshavelowefficiencyandbigpollution,andtheeconomyispoor.Atthesametime,steelmills,powerplants,metallurgicalplantsandotherindustrialproducealargeamountofindustrialwasteheat,whichisagreatwasteofenergy,andcausedcertainenvironmentpollution.Inaddit

8、ion,theapplicationofsolarenergyismainlyconcentratedinthehightemperaturearea,butthelow-middletemperaturesolarenergyhasnotbeenfullyused.Theindustrialwasteheatand