中温相变材料甘露醇蓄放热特性的实验研究与数值模拟

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蓄热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术,近年来已成为能源与材料领域的研究热点。目前,蓄热技术的研究主要集中在低温领域,包括建筑节能、电子器件散热冷却以及民用产品等,而中高温蓄热技术在太阳能热利用、工业废热余热回收等领域更具应用前景,是未来蓄热技术的研究重点。本文以甘露醇作为中温相变蓄热材料,分别采用热重分析仪、X射线衍射仪、示差扫描量热仪、热导率测试仪等分析测试手段对甘露醇的结构和热物性进行了表征和测试。结果表明:甘露醇为β晶型结构,在250°C内具有很好的热稳定性;其固-液相转变温度为164.6°C,相变潜热为322.8J/g,固相导热系数为0.6W·m-1·K-1。液-固相转变温度为127.87°C,其相变潜热为266.8J/g;甘露醇具有明显的过冷现象。构建了甘露醇蓄放热研究的中试实验系统,该系统核心是蓄热器,它是由2个相同结构的螺旋盘管换热器组合而成,分别进行蓄热和放热实验研究。采用高温导热油作为蓄热时的传热流体,水作为放热时的传热流体。蓄热器中甘露醇的填充量为14Kg,储水箱常用热水器通用体积100L,通过蓄热技术将初始温度为30°C的冷水加热到55°C的生活热水。蓄热过程中,导热油的体积流量分别设计为330L/h、360L/h和390L/h,入口温度设计为200°C、210°C和220°C;放热时,水流量为60L/h。蓄热时甘露醇的传热过程分为三个阶段,第一阶段为固体甘露醇的温升,显热蓄热阶段,传热受导热控制,温度均匀升高;第二阶段传热受自然对流传热控制,固液密度差产生浮力作用,固-液界面移动复杂,出现温度波动,固-液相变平台不明显;第三阶段甘露醇完全熔解为液态,温度继续升高到接近热流体温度。放热过程也有类似的三个阶段,由于液-固相变过程由于传热受导热控制,温度较稳定,出现明显的液-固相变平台。甘露醇的热能转换效率高于87%。导热油的体积流量或温度的增加,都能提高蓄热过程甘露醇的温度。随着温度的增加完成蓄热过程时间明显减少。采用商业化数值模拟软件FLUENT对甘露醇的蓄放热特性进行了数值模拟,模拟的温度场变化与实验结构基本一致,通过液相率的变化,获得了甘露醇熔解和凝固过程的动态特征。蓄热过程和放热过程数值模拟的温度值与实验测量值的平均偏差分别为5.7%和6.7%,模拟结果与测量值吻合良好。
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