太陽能供暖系統(tǒng)中相變蓄熱器熱性能研究

【摘要】：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建筑能耗在國家全部能源消耗中所占的比例越來越大，而減少冬季供暖能耗可以有效達(dá)到建筑節(jié)能的目的。太陽能熱泵供暖系統(tǒng)作為一種綠色節(jié)能的供暖系統(tǒng)，越來越受到我國的重視。但是由于太陽能具有不穩(wěn)定性以及能源密度低等缺陷，所以需要研發(fā)高效可靠的蓄熱裝置，以提高太陽能的能源利用率和減少冬季供暖常規(guī)能源的消耗。 本文設(shè)計(jì)了一種采用球形蓄熱單元并應(yīng)用于太陽能熱泵供暖系統(tǒng)中的相變蓄熱裝置，并采用數(shù)值模擬的方法對相變蓄熱裝置的熱性能進(jìn)行了研究。首先，計(jì)算了太陽輻射強(qiáng)度、供暖熱負(fù)荷和集熱器面積等與太陽能熱泵系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)。其次，選取了添加膨脹石墨的石蠟作為相變材料，并計(jì)算了相變材料用量，確定了相變蓄熱箱的結(jié)構(gòu)和尺寸。之后，利用Gambit和Fluent軟件建立了相變蓄熱箱的物理模型和數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行了數(shù)值模擬。最后，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了處理，分析了蓄熱球直徑和供回水溫差對蓄熱箱性能的影響，得到了蓄熱球內(nèi)部的溫度場和液相率云圖，并分析了存在自然對流情況下的傳熱過程。模擬結(jié)果表明：減小蓄熱球直徑可以提高傳熱效率，縮短相變時(shí)間，提高出口水溫最大值，但會(huì)減少有效供暖時(shí)間；供回水溫差的改變，基本不會(huì)影響相變材料的熔化、凝固過程，但會(huì)影響出口水溫的變化；蓄熱球內(nèi)部的相變過程是由外而內(nèi)逐層進(jìn)行的，且在自然對流影響下，相變過程不再是對稱運(yùn)動(dòng)；蓄熱箱中相變材料整體的相變方向與熱媒流體流動(dòng)的方向是一致的。 本文對太陽能熱泵供暖系統(tǒng)中一種采用球形蓄熱體的相變蓄熱裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬，為相變蓄熱裝置在太陽能供暖工程中的應(yīng)用以及蓄熱裝置的優(yōu)化提供了參考依據(jù)。 【關(guān)鍵詞】：太陽能熱泵 供暖系統(tǒng) 相變蓄熱器 球形蓄熱體 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：河北科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TU83
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-20
• 1.1 課題的研究背景及意義10-11
• 1.2 國內(nèi)外太陽能熱泵供暖系統(tǒng)的研究進(jìn)展11-14
• 1.2.1 太陽能熱泵系統(tǒng)的分類11-13
• 1.2.2 國內(nèi)太陽能熱泵供暖系統(tǒng)的研究進(jìn)展13
• 1.2.3 國外太陽能熱泵供暖系統(tǒng)的研究進(jìn)展13-14
• 1.3 國內(nèi)外相變蓄熱的研究進(jìn)展14-17
• 1.3.1 相變蓄熱材料的研究進(jìn)展14-16
• 1.3.2 相變蓄熱中傳熱強(qiáng)化的研究進(jìn)展16-17
• 1.3.3 相變蓄熱裝置的模擬和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展17
• 1.4 本文的主要研究內(nèi)容17-20
• 第2章 石家莊地區(qū)太陽輻射強(qiáng)度的計(jì)算20-28
• 2.1 太陽角20-22
• 2.1.1 太陽赤緯角20
• 2.1.2 太陽時(shí)角20-21
• 2.1.3 太陽高度角21
• 2.1.4 太陽方位角21
• 2.1.5 日照時(shí)間及集熱器最佳傾角21
• 2.1.6 任意平面上的陽光入射角21-22
• 2.2 太陽輻射強(qiáng)度計(jì)算模型22-24
• 2.2.1 太陽常數(shù)22
• 2.2.2 大氣質(zhì)量22
• 2.2.3 斜面上的太陽輻射強(qiáng)度22-23
• 2.2.4 太陽輻射日總量的月平均值23-24
• 2.3 計(jì)算結(jié)果24-26
• 2.4 本章小結(jié)26-28
• 第3章 太陽能熱泵系統(tǒng)和蓄熱裝置的研發(fā)28-36
• 3.1 太陽能熱泵供暖系統(tǒng)研發(fā)28-31
• 3.1.1 供暖終端的選取28-29
• 3.1.2 供暖熱負(fù)荷的確定29-30
• 3.1.3 熱水耗量的計(jì)算30
• 3.1.4 集熱面積的計(jì)算30
• 3.1.5 管路和壓縮機(jī)的選擇30-31
• 3.2 相變蓄熱裝置的研發(fā)31-34
• 3.2.1 相變材料的選取31-32
• 3.2.2 相變材料用量的計(jì)算32
• 3.2.3 相變蓄熱裝置的研發(fā)32-34
• 3.3 本章小結(jié)34-36
• 第4章 蓄熱箱模型的建立和數(shù)值模擬36-50
• 4.1 相變傳熱的數(shù)學(xué)模型36-37
• 4.1.1 溫度法模型36
• 4.1.2 焓法模型36-37
• 4.2 相變傳熱的數(shù)值求解37-40
• 4.2.1 數(shù)值求解方法38-39
• 4.2.2 數(shù)值求解步驟39-40
• 4.3 Fluent 中熔化/凝固模型基本知識(shí)40
• 4.4 物理模型的建立40-43
• 4.5 數(shù)學(xué)模型的建立43-45
• 4.5.1 流體區(qū)域的數(shù)學(xué)模型43-44
• 4.5.2 相變區(qū)域的數(shù)學(xué)模型44-45
• 4.5.3 邊界條件和初始條件45
• 4.6 Fluent 求解模型45-49
• 4.6.1 網(wǎng)格檢查操作45-46
• 4.6.2 選擇求解器46
• 4.6.3 定義材料屬性46-47
• 4.6.4 設(shè)置操作條件47
• 4.6.5 設(shè)置邊界條件47-48
• 4.6.6 設(shè)置求解器控制參數(shù)48
• 4.6.7 設(shè)置監(jiān)視器48
• 4.6.8 初始化及設(shè)置時(shí)間步長48-49
• 4.7 本章小結(jié)49-50
• 第5章 數(shù)值模擬結(jié)果及分析50-68
• 5.1 蓄熱球直徑不同時(shí)的模擬結(jié)果及分析50-56
• 5.1.1 熔化過程模擬結(jié)果分析50-52
• 5.1.2 凝固過程模擬結(jié)果分析52-55
• 5.1.3 蓄熱球直徑不同時(shí)壓力場的分析55-56
• 5.2 供回水溫差不同時(shí)的模擬結(jié)果及分析56-59
• 5.2.1 熔化過程模擬結(jié)果分析56-58
• 5.2.2 凝固過程模擬結(jié)果分析58-59
• 5.3 蓄熱球內(nèi)部相變過程的模擬結(jié)果及分析59-63
• 5.3.1 熔化過程模擬結(jié)果分析60-61
• 5.3.2 凝固過程模擬結(jié)果分析61-63
• 5.3.3 截面處速度場分析63
• 5.4 蓄熱球之間相變過程的模擬結(jié)果及分析63-66
• 5.4.1 熔化過程模擬結(jié)果及分析64-65
• 5.4.2 凝固過程模擬結(jié)果及分析65-66
• 5.5 本章小結(jié)66-68
• 結(jié)論68-70
• 參考文獻(xiàn)70-76
• 攻讀碩士學(xué)位期間所發(fā)表的論文76-78
• 致謝78

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