相變蓄熱球體堆積床傳熱模型及熱性能分析

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1、從本學(xué)科出發(fā)，應(yīng)著重選對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有一定實(shí)用價(jià)值和理論意義的課題。課題具有先進(jìn)性，便于研究生提出新見解，特別是博士生必須有創(chuàng)新性的成果相變蓄熱球體堆積床傳熱模型及熱性能分析康艷兵張寅平江億朱穎心簡(jiǎn)介：為提高普適性和預(yù)測(cè)性，建立了相變蓄熱球體堆積床熱性能的傳熱模型，可以對(duì)系統(tǒng)多種熱性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。經(jīng)驗(yàn)證明模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合。表明該模型對(duì)相變蓄熱球體堆積床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能模擬及運(yùn)行管理可提供理論指導(dǎo)。關(guān)鍵字：蓄熱相變材料傳熱蓄冰球體堆積床近年來，隨著人們節(jié)能和環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，相變貯能系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，在太陽(yáng)能利用、區(qū)域供熱和供冷、

2、建筑節(jié)能系統(tǒng)、蓄冷空調(diào)系統(tǒng)和一些余熱回收系統(tǒng)中已經(jīng)獲得應(yīng)用或正在引起研究者的關(guān)注［1，2］。相變蓄熱球體堆積床是相變貯能系統(tǒng)的一種常用結(jié)構(gòu)形式，它具有單位體積的傳熱面積大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其儲(chǔ)、傳熱特性進(jìn)行了大量研究［3～8］，但令人不能完全滿意的是一些方法課題份量和難易程度要恰當(dāng)，博士生能在二年內(nèi)作出結(jié)果，碩士生能在一年內(nèi)作出結(jié)果，特別是對(duì)實(shí)驗(yàn)條件等要有恰當(dāng)?shù)墓烙?jì)。從本學(xué)科出發(fā)，應(yīng)著重選對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有一定實(shí)用價(jià)值和理論意義的課題。課題具有先進(jìn)性，便于研究生提出新見解，特別是博士生必須有創(chuàng)新性的成果過于簡(jiǎn)化［5，6］，難以全面反映

3、系統(tǒng)熱性能特征，一些方法僅對(duì)冰蓄冷情況進(jìn)行了分析，有些參數(shù)需依靠實(shí)驗(yàn)確定，普適性和預(yù)測(cè)性不強(qiáng)。鑒于此，提出相變蓄熱球體堆積床的傳熱模型，力求具有較寬的適用面，較全面地反映系統(tǒng)的儲(chǔ)、傳熱性能。文中模型既能模擬計(jì)算相變傳熱速率、流體出口溫度、蓄熱量等易測(cè)參數(shù)，也可求解沿軸向的相變界面及流體溫度分布、系統(tǒng)的有效傳熱系數(shù)、有效傳熱面積、相變材料發(fā)生相變的比例等難測(cè)參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。模型計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［8］實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合。作為算例，利用文中模型對(duì)該實(shí)驗(yàn)臺(tái)其它熱性能參數(shù)進(jìn)行了模擬分析。該模型對(duì)相變蓄熱球體堆積床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能模擬分析有一定幫助。

4、1傳熱模型相變蓄熱球體堆積床的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示?！　?a)相變球體堆積床示意圖　　　　b)單元相變球體結(jié)構(gòu)參數(shù)圖1相變蓄熱球體堆積床結(jié)構(gòu)圖為了突出問題本質(zhì)并使問題合理簡(jiǎn)化，作如下假設(shè)：1)相變傳熱過程的斯蒂芬數(shù)Ste)對(duì)融化問題，忽略相變材料液相自然對(duì)流；)傳熱流體流程長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于球徑，即L>>2r0；)球體內(nèi)固相和液相無密度差，各相內(nèi)物性均一；)掠過單元球體外表面的流體溫度及對(duì)流換熱系數(shù)的不均勻性可忽略。由假設(shè)4)和5)可知，單元球體凝固與融化過程相變界面呈同心球形狀，如圖1(b)所示。傳熱模型對(duì)圖1(a)所示的微元體，傳熱流體和相變球體

5、應(yīng)滿足的能量平衡方程為對(duì)相變球體：　　(1)對(duì)傳熱流體：課題份量和難易程度要恰當(dāng)，博士生能在二年內(nèi)作出結(jié)果，碩士生能在一年內(nèi)作出結(jié)果，特別是對(duì)實(shí)驗(yàn)條件等要有恰當(dāng)?shù)墓烙?jì)。從本學(xué)科出發(fā)，應(yīng)著重選對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有一定實(shí)用價(jià)值和理論意義的課題。課題具有先進(jìn)性，便于研究生提出新見解，特別是博士生必須有創(chuàng)新性的成果　　(2)　　(3)其中，下角標(biāo)p，f，w分別代表相變材料、流體和球殼。為流體流量，4πr30為堆積床中相變球體的總傳熱面積，Rf,w=為流體和球體壁面間的對(duì)流換熱熱阻，Rw=為球殼導(dǎo)熱熱阻，為相變層導(dǎo)熱熱阻。Ac和ε分別為堆積床的橫截面積和孔隙

6、率。初始條件：rp(x,t=0)=rp,0(x)，Tf(x,t=0)=Tf,i；邊界條件：Tf(x=0,t)=Tf,in(t)。量綱為1化為了更本質(zhì)地刻畫該類相變換熱器的共性特征，拓寬模型的適用范圍，對(duì)涉及參數(shù)及方程進(jìn)行了量綱為1化：令由式(1)和式(2)，得　　(4)　　(5)初始條件：邊界條件：θf(X=0,Fo)=1.解方程(4)和(5)，得(6)　　(7)課題份量和難易程度要恰當(dāng)，博士生能在二年內(nèi)作出結(jié)果，碩士生能在一年內(nèi)作出結(jié)果，特別是對(duì)實(shí)驗(yàn)條件等要有恰當(dāng)?shù)墓烙?jì)。從本學(xué)科出發(fā)，應(yīng)著重選對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有一定實(shí)用價(jià)值和理論意義的課題。課題

7、具有先進(jìn)性，便于研究生提出新見解，特別是博士生必須有創(chuàng)新性的成果對(duì)給定的X、Fo，根據(jù)式(6)、(7)進(jìn)行迭代求解可求出θf(X,Fo)和(X,Fo)。某一位置某一時(shí)刻的迭代初值為θ*f(X,Foi)=θf(X,Foi-1)和*p(X,Foi)＝p(X,Foi-1)，即取同一位置上某一時(shí)刻值作為迭代初值。當(dāng)某一軸向截面上的球體全部發(fā)生相變，即p(X,Fo)＝0時(shí)，記此時(shí)該截面距進(jìn)口處的無量綱距離為Xin(Fo)，見圖2。此后的相變傳熱過程僅發(fā)生在X>Xin部分，而X≤Xin部分僅有顯熱傳熱，因?yàn)镾tein。這說明堆積床相變傳熱過程中有效傳熱面

8、積會(huì)逐漸減小，它占總傳熱面積的比例為　　(8)圖相變界面隨時(shí)間變化規(guī)律示意圖在有效傳熱面積上無量綱有效總傳熱系數(shù)，即有效總傳熱系數(shù)與對(duì)流換熱系數(shù)之比為　　(9)對(duì)于