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相变蓄热技术及理论在空调蓄热装置中的应用研究

作　者: 蹇瑞欢
导　师: 陈超
学　校: 北京工业大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 数值计算方法显热容法相变材料蓄放热实验蓄放热特性
分类号: TU831
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

摘要能源是推动社会进步和人类赖以生存的物质基础。近 100 年来，全球能源消耗平均每年以 3﹪的速度递增，大量能源的消耗，同时带来了十分严重的环境问题，如气候变暖、生态破坏、大气污染等。这一切都严重制约着人类社会、经济活动的发展。我国能源与环境状况更是如此。开发新能源、提高能源利用率、利用节能技术已成为全球的迫切需要。随着经济高速增长和人民生活水平的提高，人们对工作和生活环境提出了更高的要求，采暖、通风和空调用能也随之急剧增长，并导致电网负荷峰谷差进一步增大。利用蓄热装置来协调热能供求在时间和强度上的不匹配是经济和可行的办法。研制应用于空调领域的蓄热设备能够将用电低谷期廉价的电能转化为热能储存起来，在用电高峰期再将这部分储存的热能释放出来，以减少高峰期用电量，实现“削峰填谷”，这样做不仅大大节约了空调运行费用，也减轻了电网负担，使用电时段的分配更加合理。因此研制空调用蓄热装置具有重大的现实意义和广阔前景。本研究是北京市科委下达课题――新型空调蓄热装置的研制（课题编号：H020520010120）的一部分，主要研究内容是以本课题组开发的新型相变蓄热材料和填充了该相变材料的蓄热槽为研究对象，研究核心是：在满足蓄热量要求的情况下，如何缩短相变材料的蓄、放热时间，提高蓄放热效率。影响相变材料蓄热量和蓄放热时间的因素分为两大部分：相变材料与热媒体。热媒体的流量、材料的几何形状和材料的物性是其中的重要影响因素。因此我们建立了蓄热槽的数学模型，采用数值计算方法对其进行求解分析，搭建了相变材料的蓄放热实验台，对该材料进行了反复的蓄放热实验，通过对蓄热槽的数值模拟计算以及对实验数据的分析，初步掌握相变蓄热装置的几何特性、热媒体的流动特性以及相变材料的物化特性对蓄放热过程的影响，为蓄热槽的设计、优化、评价提供参考依据。具体研究方法和过程是： 1、分析了相变传热问题的特点、建立了相变传热问题的数学模型、对相变传热问题的求解方法进行了分析和比较，详述了采用数值方法求解相变传热问题的步骤； -I-<WP=5>北京工业大学工学硕士学位论文2、引入二维板状模型，对二维模型进行合理简化，建立二维模型的控制方程。采用显热容法、利用数值手段对控制方程进行求解。分析和研究了影响相变材料蓄放热特性的因素，通过数值模拟计算的方法，找到这些影响因素的影响规律以及它们之间的内在关系。3、根据相变蓄热装置蓄放热特性的实验要求，设计并搭建了蓄放热实验台；设计了多组蓄放热实验方案并进行了实验，对实验结果进行了分析，并把实验台的实验结果与数值模拟结果进行比较，分析了偏差的原因并验证了理论模型的适用性。通过对二维板状模型的数值模拟计算研究以及填充了新型板状相变材料的蓄热装置的蓄放热特性实验结果的分析，初步掌握了板状相变材料的高度、厚度、导热系数、流体流速、换热系数对相变蓄热装置蓄放热特性的影响规律，对所研制的相变蓄热装置首次提出了优化设计的方案，为相变蓄热装置的设计、优化、评价提供了参考依据。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-9
目录  9-12
第 1 章绪论  12-19
  1.1 课题研究背景及意义  12-13
    1.1.1 当前能源与环境状况  12
    1.1.2 研制蓄热装置具有重大现实意义和广阔前景  12-13
  1.2 国内外文献综述  13-16
    1.2.1 国内文献  13-14
    1.2.2 国外文献  14-16
  1.3 课题前期研究工作概述  16-18
  1.4 本课题的来源和主要研究内容  18-19
第 2 章相变传热计算方法分析及其数值计算  19-46
  2.1 引言  19
  2.2 相变传热问题的特点  19
  2.3 相变传热的数学模型  19-21
  2.4 相变传热问题的无量纲变量  21-22
  2.5 相变传热问题的求解方法  22-28
    2.5.1 精确分析  23
    2.5.2 近似分析  23-24
    2.5.3 有限差分法  24-28
    2.5.4 有限元法  28
  2.6 相变传热问题的数值求解  28-45
    2.6.1 区域离散化  29-30
    2.6.2 方程离散化  30-43
    2.6.3 求解代数方程  43-45
  2.7 本章小结  45-46
第 3 章蓄热槽二维板状模型的数值计算研究  46-68
  3.1 引言  46
  3.2 二维板状模型的建立  46-50
    3.2.1 二维板状模型的分析  46-48
    3.2.2 二维板状模型的简化假设  48
    3.2.3 二维板状的数学模型  48-50
  3.3 二维板状模型的数值求解  50-55
    3.3.1 微分方程的离散  50-52
    3.3.2 离散方程的求解  52-55
  3.4 板状蓄热体二维模型算例分析  55-58
    3.4.1 设定的条件和参数  55-56
    3.4.2 计算结果分析  56-58
  3.5 蓄放热特性影响因素分析  58-60
  3.6 数值计算结果的分析  60-67
  3.7 本章小结  67-68
第 4 章蓄热槽蓄放热特性实验台的设计与搭建  68-83
  4.1 引言  68
  4.2 实验台的设计、搭建  68-79
    4.2.1 实验目的  68
    4.2.2 实验台原理图  68-69
    4.2.3 实验台的测试内容及测试手段  69-70
    4.2.4 实验台的设计  70-72
    4.2.5 实验台的搭建  72-78
    4.2.6 实验步骤  78-79
  4.3 实验用相变材料物性  79-80
  4.4 相变材料预测的蓄放热曲线  80-81
    4.4.1 相变材料预测的蓄热曲线  80-81
    4.4.2 相变材料预测的放热曲线  81
  4.5 本章小结  81-83
第 5 章蓄热槽蓄放热特性实验及其结果分析  83-99
  5.1 引言  83
  5.2 实验目的  83
  5.3 实验误差分析  83-85
  5.4 实验方案设计  85-86
    5.4.1 实验方案Ⅰ  85-86
    5.4.2 实验方案Ⅱ  86
  5.5 实验结果分析  86-95
    5.5.1 实验方案Ⅰ  86-91
    5.5.2 实验方案Ⅱ  91-95
  5.6 数值计算结果与实验数据的验证比较  95-98
  5.7 本章小结  98-99
结论  99-101
参考文献  101-105
攻读硕士学位期间发表的学术论文  105-106
致谢  106

相变蓄热技术及理论在空调蓄热装置中的应用研究

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