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1、青 岛 科 技 大 学本 科 毕 业 设 计 （论 文）填充泡沫金属的相变蓄热单元管的数值模拟题 目 _指导教师_辅导教师_学生姓名_学生学号_热能与动力工程机电工程_院（部）_专业_班_年 _月 _日填充泡沫金属的相变蓄热单元管的数值模拟摘 要吸热蓄热器是空间站太阳能热动力发电系统(Space Solar Dynamic Power SystemSSDPS)的关键部件，其采用的蓄热方式是高温相变蓄热。高温相变蓄热大都选用氟盐作为相变材料，由于固液密度不同，PCM在相变过程中会产生空穴，这严重影响了蓄热容器的传热性能及结构可靠性。为改善氟盐PCM带来的不良影响，本文采用在PCM中填充泡沫金属的
2、措施，泡沫金属以其高导热、质轻、高比热等特点作为填充物，成为强化相变蓄热的有效手段。 本文以太阳能热动力发电系统地面模拟试验中采用的吸热蓄热器内部的相变蓄热单元管为研究对象，选择氟盐805LiF-195CaF2作为蓄热材料，钴基合金Haynesl88作为PCM容器及工质导管材料，并采用孔隙率为95的多孔泡沫镍来研究单元管内部的强化传热情况。 关键词：相变蓄热单元管；FLUENT软件； 泡沫金属：强化传热； 数值模拟Metal foam filling phase change thermal storage unit tube simulationABSTRACTHeat Receiver i
3、s the key component of the space solar dynamic power systems(Space Solar Dynamic Power System-SSDPS)，it adopts the method of high temperature phase change thermal storage，in which the molten salt is usually selected as PCMHowever, solid density of PCM is different from its liquid density, which will
4、 cause cavity in the phase change processThe cavity will seriously affect the heat transfer performance and structure reliability of heat storage containerTherefore，PCM is encapsulated in many containers and metal foam is embedded in PCM to reduce the adverse effects of PCMMetal foam，with its high t
5、hermal conductivity, light weight，high heat capacity and etc，is selected as a filling with PCM，and is becoming an effective way of strengthening the heat storage The paper takes the phase change thermal storage unit tube used in Solar Dynamic Power System ground test as the research objectThe molten
6、 salt LiFCaF2 is selected as thermal storage material in heat exchange tube，Co-based alloys Haynes 188 is selected as material of PCM container and working fluid tube，and the porous nickel foam of 95 porosity is selected to strengthen heat transfer.KEY WORDS: phase change thermal storage unit tube；F
7、LUENT software；metal foam；enhance heat transfer；numerical simulation目录前言21绪论31.1相变蓄热概述31.1.1相变蓄热的分类31.1.2蓄热材料41.2强化相变蓄热的方法41.2.1多孔介质51.2.2在相变材料中分散高导热颗粒51.2.3安置金属结构61.2.4添加具有高导热率、低密度的填充材料61.3 国内外研究进展61.4选题的目的及意义71.5本文主要研究内容82 相变蓄热理论及数值求解92.1相变传热的特点92.2相变传热问题的数学模型9221温度法模型9222焓法模型102.3相变传热的数值求解102.4利用
8、FLUENT模拟相变问题的基本理论112.4.1 FIUENT简介112.4.2 FLUENT求解相变问题的Solidification/Melting模型112.5 本章小结113 相变蓄热单元管的结构及选材133.1相变蓄热单元管的应用及结构133.1.1 相变蓄热单元管的应用133.1.2相变蓄热单元管结构143.2相变材料及封装容器材料的选择153.3 多孔泡沫金属基的选择163.3.1 泡沫金属的结构特征163.3.2泡沫金属基体的选择173.4本章小结184 物理及数学模型的建立和处理204.1物理模型的建立204.2利用FLUENT计算过程中参数的设置214.2.1网格划分并设置
9、边界类型214.2.2初始和边界条件234.2.2.1边界条件234.2.2.2初始条件244.2.3 FLUENT参数设置254.3本章小结305 数值模拟计算结果及分析315.1填充泡沫金属前后单元管的温度及液相率变化315.2温度场及液相率分布云图355.3 本章小结376 总结与展望39前言20世纪70年代以来，世界范围内普遍爆发了能源危机，如何节约现有资源或开发新能源已成为研究的焦点。蓄热技术的研究和应用也在此后得到不断发展，现已成为开发新能源、提高其利用率、协调在强度和时间上能量供求不匹配的关键技术1。在电力“移峰填谷”、太阳能利用、工业余热废热的回收利用、空调节能及民用建筑等领域
10、具有广阔的应用前景。蓄热技术由于能够解决热能的供给与需求在时间和空间上的不匹配，而成为合理利用能源、减轻环境污染的有效途径。相变蓄热由于具有蓄热密度大、蓄放热温度恒定、容易控制等优点，已成为热能利用的新热点。 由于相变过程中伴随有传导、对流现象，使得相变传热问题的求解复杂化，大多数情况下都借助于数值模拟。相变蓄热技术利用相变材料PCM (Phase Change Materials)发生相变时能量的吸收与释放来储存和释放能量，可以有效缓解能量供求双方在时间、地点、强度上的不匹配，是合理利用能源及减轻环境污染的有效途径，也是广义热能系统优化运行的重要手段。相变蓄热技术的应用一方面能二次利用工业废
11、热、余热，减少环境污染；另一方面，再次生成的热能可减少煤，石油等不可再生能源的消耗，不仅能够实现节能减排，还能够实现不可再生能源的替代使用。随着载人航天空间技术、工业加热系统的余热回收系统及高温工业炉蓄热室的不断发展，高温相变蓄热理论及其应用成为研究热点。同时材料科学、工程热物理、太阳能、工业余热利用及航天技术等各领域的相互渗透和高速发展，也为高温相变蓄热的进一步研究打下了基础。本文主要是对以太阳能热动力发电系统地面模拟试验中采用的吸热蓄热器内部的相变蓄热单元管进行研究。1 绪论1.1相变蓄热概述1.1.1相变蓄热的分类蓄热方式主要有显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热三种。显热蓄热是依靠温度升降
12、来存储热量。使用显热蓄热虽然简单方便，但由于蓄热材料蓄热密度较低，会使相应的系统体积庞大，而且其本身的温度在一直变化，故要达到控制温度的目的很难，因此它的应用价值空间有限。潜热蓄热也就是相变蓄热，是依靠物质在相变时吸、放热来储存或释放能量的；使用这种方式蓄热不仅具有储热能力强、蓄热密度大、装置体积小等特点，更重要的是蓄热过程温度恒定，方便控制和管理，所以受到广泛关注。化学反应蓄热是利用可逆化学反应通过热能与化学热的转换来进行蓄热。虽然该方式储能密度较大，但是使用不便且生产技术复杂，故不宜实际应用。三种方式中，潜热蓄热最具实际应用价值，也是目前应用最多和最重要的储能方式。此外，按照物质相变温度不
13、同，潜热蓄热又分为低温、中温、高温三种。通常物质的相变包括以下几种形式：固态气态、液态气态、固态液态及固态固态。由于前两种方式在相变中会产生大量气体，导致材料发生很大的体积变化，虽然它们具有较高的相变焓，但离实际应用尚且较远。固固相变及固液相变应用较广。对于固气相变，气态分子具有最大的运动自由度，而固态分子的运动自由度最小，因此，固气相变即升华和凝聚具有最大的相变潜热。 但由于相变过程中体积的巨大变化使系统庞大而复杂，因而完全无法应用。对于固液相变来说，具有以下特点：(1)材料的固液相变潜热远大于其显热，因此可以用较小的体积储存较多的热量；(2) 蓄放热过程可以在恒定温度下或者很小的温度范围内
14、进行；(3)固液相变过程中体积变化较小。基于以上三个特点，固液相变是实际应用得较多的相变蓄热方式。近年来，固固相变的研究和应用得到迅速发展。其主要优点是体积变化小，相变过程中不出现液态，可以减少对容器的要求，这些优点使得固固相变在相变蓄热领域得到越来越多的应用。1.1.2蓄热材料单纯盐混合盐金属碱石蜡脂肪酸类其他有机物化合物低工熔体化合物盐的水合物氢氧化物水合物包合物无机物有机物高温类蓄热材料低温类低工熔体高温类相变蓄热材料主要用于太阳能热动力发电等系统中的能量储存，蓄热成本高，可以达到较高的运行效率，设备相对紧凑，质量相对较轻，目前主要在航空航天领域应用；低温类相变蓄热材料主要应用于地面民用领域，太阳能热利用以及建筑节能等领域对相变蓄热材料的需求使其具有广泛的应用前景。为保证热机正常工作，对其循环温度有一定的限制，所以SSDPS的吸热器必须选择高温潜热蓄热。高温相变材料通常包括氧化物、盐、金属、碱、混合盐及合金等五类。1.2强化相变蓄热的方法随着经济的发展和现有资源的耗竭，节能备受关注。研究的热点逐渐向如何使相变蓄热系统的热性能更加优越转变，而与相变蓄热系统的热性能密切相关的一个关键
