关键词:
陶瓷工业热能
相变储存换热器
多管
纵向波纹翅片
传热优化
摘要:
随着城市化和工业化的快速发展,我国对能源的利用越来越大,能源危机和环境问题也随之越来越严重,特别是陶瓷工业热能的不稳定性和回收利用效率低,这造成了大量的能源浪费和环境污染。在此背景下,利用相变储存换热器将热能储存起来错时空利用,可以很好的提高能源利用的效率和稳定性,以节约能源降低环境污染,而在相变储存换热器中,相变材料的物性以及换热器结构严重影响着相变储存换热器的整体性能。因此,本文通过数值模拟与实验研究相结合的方法,构建了多管式相变储存换热器和纵向波纹翅片相变储存换热器的数学物理模型,系统分析了多管结构和纵向波纹翅片结构对相变储存换热器整体换热性能的影响,阐明了多管式相变储存换热器和纵向波纹翅片相变储存换热器在熔化凝固过程的影响机理,通过优化结构来提高相变储存换热器的换热性能,进而实现高效储能,为能源利用以及环境保护可持续发展提供科学性参考。主要研究内容及结果如下:
(1)利用Ansys软件构建了多管式相变储存换热器数学物理模型,系统分析了内管管数为1至6对多管式相变储存换热器在凝固和熔化过程的传热特性,并运用正交试验法分析了内管角度比、管道数、厚度、偏心距与外管半径比对换热器的影响规律。结果表明,各结构参数对换热器整体换热性能的影响因素从主到次的顺序依次为:内管管道数、内管偏心距离与外圆半径之比、内管角度比、内管管壁厚度,最佳参数组合为内管管道数为4,内管偏心距离与外圆半径之比为0.3222,内管角度比为0.1666,内管管壁厚度为2.400 mm。
(2)利用Ansys软件构建了纵向波纹翅片相变储存换热器数学物理模型,系统分析了纵向波纹翅片结构取不同振幅、角频率、相移对相变储存换热器整体传热性能的影响,并采用响应面优化法,得到了最佳结构参数组合。结果表明,各参数影响纵向波纹翅片相变储存换热器的平均放热速率的主次顺序为:振幅>角频率>相移,最佳参数组合为振幅为1 rad,角频率为1.849 mm,相移为180°,该结构下换热器的平均放热速率比传统直肋提高了28.57%。
(3)定制了纵向波纹翅片相变储存换热器,搭建实验平台,选用石蜡作为相变材料,进行了熔化和凝固过程的实验研究。结果表明,不同倾斜角度对熔化过程影响较大,倾斜角度为90°时的完全熔化时间比其他角度快20.00%~35.00%;径向传热速率比轴向传热速率快5.97%~8.39%;入口速度对凝固过程影响较小,对熔化过程有一定影响,速度从0.1 m/s提高到0.3 m/s,完全熔化时间缩短19.80%;入口温度越低,凝固时间越短,入口温度越高,熔化时间越短。