單罐石蠟蓄熱系統(tǒng)傳熱性能實驗及模擬研究

單罐石蠟蓄熱系統(tǒng)傳熱性能實驗及模擬研究一、緒論（一）研究背景及意義隨著能源問題日益突出，高效的儲能技術(shù)成為研究熱點。太陽能作為清潔能源，具有巨大的開發(fā)潛力，但受晝夜、天氣等因素影響，穩(wěn)定性欠佳。蓄熱系統(tǒng)能夠儲存多余熱能，在需要時釋放，有效解決太陽能間歇性問題。石蠟因具有相變潛熱大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點，成為單罐蓄熱系統(tǒng)中常用的相變材料。研究單罐石蠟蓄熱系統(tǒng)傳熱性能，對提高太陽能利用效率、降低能源消耗、推動可持續(xù)發(fā)展意義重大。（二）太陽能應(yīng)用研究進(jìn)展在太陽能利用領(lǐng)域，單罐蓄熱系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)簡單、成本較低受到關(guān)注。一些研究聚焦于不同相變材料在單罐中的蓄熱特性，也有研究致力于強化傳熱方法以提升系統(tǒng)性能。例如，通過添加導(dǎo)熱填充物、優(yōu)化罐體與翅片結(jié)構(gòu)等方式，增強熱量傳遞效率。（三）目前研究存在的問題當(dāng)前研究雖取得一定成果，但仍有不足。部分研究對石蠟在復(fù)雜工況下的傳熱特性研究不夠深入；不同強化傳熱措施的協(xié)同作用研究較少；實驗與模擬結(jié)合不夠緊密，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性有待提高。（四）本文研究內(nèi)容搭建單罐石蠟蓄熱實驗臺，開展實驗研究，獲取不同工況下石蠟的溫度分布、蓄熱時間等數(shù)據(jù)；建立數(shù)值模型，對單罐石蠟蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，并與實驗結(jié)果對比驗證；研究罐體高徑比、石蠟熔化區(qū)間、加熱功率等因素對單罐蓄熱過程的影響；分析導(dǎo)熱填充物、罐體與翅片結(jié)構(gòu)對傳熱性能的影響；探索單罐蓄熱生活熱水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。二、石蠟基單罐蓄熱實驗臺搭建與數(shù)值模擬研究（一）實驗設(shè)備實驗臺主體為奧氏體（SUS316L）不銹鋼罐體，直徑220mm，保溫層材質(zhì)為硅酸鋁棉。采用法蘭加熱器，直徑25mm，加熱區(qū)長度280mm，與罐體底部距離20mm。通過高溫型鎧裝熱電偶測量不同位置石蠟溫度，數(shù)據(jù)由fluke2638A型數(shù)據(jù)記錄儀記錄。罐體內(nèi)設(shè)置6個溫度測點，軸向分3層，每層2個測點，與罐體外壁徑向距離均為10mm。（二）物理模型以實驗罐體為基礎(chǔ)，建立物理模型，簡化罐體結(jié)構(gòu)，忽略一些次要因素，如罐體微小加工誤差、熱電偶對石蠟流動的影響等，以便后續(xù)數(shù)學(xué)建模和模擬計算。（三）數(shù)學(xué)模型基于能量守恒定律、質(zhì)量守恒定律和動量守恒定律，建立描述石蠟在蓄熱過程中的傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型。考慮石蠟的相變過程，采用焓法處理相變潛熱。（四）模擬與驗證利用數(shù)值模擬軟件對單罐石蠟蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行模擬，設(shè)置與實驗相同的邊界條件和初始條件。將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比，驗證模型準(zhǔn)確性。若模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)偏差較大，分析原因，調(diào)整模型參數(shù)或改進(jìn)模型。（五）單罐蓄熱過程影響因素罐體高徑比的影響：改變罐體高徑比，進(jìn)行實驗和模擬。結(jié)果表明，高徑比增加，石蠟自然對流增強，有利于熱量傳遞，但過高的高徑比可能導(dǎo)致罐體穩(wěn)定性下降。石蠟熔化區(qū)間的影響：選擇不同熔化區(qū)間的石蠟進(jìn)行實驗。發(fā)現(xiàn)熔化區(qū)間較窄的石蠟，在蓄熱過程中溫度變化更集中，有利于提高蓄熱效率；熔化區(qū)間寬的石蠟，溫度變化相對平緩，可適應(yīng)不同溫度需求。加熱功率的影響：調(diào)節(jié)加熱功率，研究其對蓄熱時間和溫度分布的影響。加熱功率增大，蓄熱時間縮短，但可能導(dǎo)致石蠟局部過熱，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和壽命。（六）本章小結(jié)成功搭建實驗臺，建立有效數(shù)值模型并驗證。明確了罐體高徑比、石蠟熔化區(qū)間、加熱功率等因素對單罐蓄熱過程的影響規(guī)律，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)。三、導(dǎo)熱填充物對單罐蓄熱系統(tǒng)傳熱影響分析（一）數(shù)理模型與研究方法物理模型：在單罐石蠟蓄熱系統(tǒng)中添加銅制環(huán)形肋片、碳粉與銅棒等導(dǎo)熱填充物，建立物理模型。數(shù)學(xué)模型與假設(shè)：考慮導(dǎo)熱填充物與石蠟之間的傳熱，在原有數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。假設(shè)導(dǎo)熱填充物與石蠟之間接觸良好，忽略接觸熱阻。響應(yīng)面(RSM)法：采用響應(yīng)面法設(shè)計實驗方案，減少實驗次數(shù)，同時分析多個因素及其交互作用對傳熱性能的影響。（二）銅制環(huán)形肋片對傳熱的影響實驗和模擬結(jié)果顯示，添加銅制環(huán)形肋片可顯著提高傳熱效率。肋片增加了傳熱面積，促進(jìn)了石蠟與罐體壁面之間的熱量傳遞，縮短了蓄熱時間。（三）碳粉與銅棒對傳熱的影響碳粉含量與銅棒的共同影響：研究不同碳粉含量和銅棒布置方式對傳熱性能的影響。結(jié)果表明，適量碳粉與合理布置的銅棒相結(jié)合，能有效提高系統(tǒng)的導(dǎo)熱性能，增強石蠟內(nèi)部的熱量傳遞。響應(yīng)面法(RSM)數(shù)據(jù)分析：通過響應(yīng)面法對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到傳熱性能與碳粉含量、銅棒布置等因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，為優(yōu)化系統(tǒng)提供理論依據(jù)。（四）本章小結(jié)導(dǎo)熱填充物可有效改善單罐蓄熱系統(tǒng)傳熱性能。明確了銅制環(huán)形肋片、碳粉與銅棒對傳熱的影響規(guī)律，利用響應(yīng)面法得到了相關(guān)因素與傳熱性能的數(shù)學(xué)關(guān)系。四、罐體與翅片結(jié)構(gòu)對單罐蓄熱系統(tǒng)傳熱影響分析（一）數(shù)理模型物理模型：改變罐體錐度，設(shè)計不同長度和角度的翅片，建立相應(yīng)物理模型。數(shù)學(xué)模型：在原有數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，考慮罐體錐度和翅片結(jié)構(gòu)對石蠟流動和傳熱的影響。（二）罐體錐度對傳熱性能的影響實驗和模擬表明，適當(dāng)?shù)墓摅w錐度可改變石蠟的流動形態(tài)，促進(jìn)自然對流，提高傳熱效率。但錐度過大，可能導(dǎo)致石蠟在罐體內(nèi)分布不均勻，影響蓄熱效果。（三）翅片結(jié)構(gòu)對傳熱性能的影響翅片長度對傳熱的影響：增加翅片長度，傳熱面積增大，傳熱效率提高，但過長的翅片會增加系統(tǒng)成本和阻力，且可能導(dǎo)致翅片根部溫度過高。翅片角度對傳熱的影響：研究不同翅片角度下石蠟的傳熱特性。發(fā)現(xiàn)一定角度范圍內(nèi)，翅片角度的變化可改變石蠟的流動方向和速度，優(yōu)化傳熱效果。（四）本章小結(jié)罐體錐度和翅片結(jié)構(gòu)對單罐蓄熱系統(tǒng)傳熱性能有顯著影響。確定了合適的罐體錐度和翅片長度、角度范圍，為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。五、單罐蓄熱生活熱水系統(tǒng)的研究及優(yōu)化設(shè)計（一）單罐蓄熱與梯級相變蓄熱技術(shù)單罐蓄熱技術(shù)的應(yīng)用：介紹單罐蓄熱技術(shù)在生活熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析其優(yōu)缺點。梯級相變蓄熱技術(shù)：引入梯級相變蓄熱技術(shù)概念，闡述其原理和優(yōu)勢，探討與單罐蓄熱技術(shù)結(jié)合的可行性。（二）數(shù)理模型系統(tǒng)模型：建立單罐蓄熱生活熱水系統(tǒng)模型，考慮熱水的流入流出、石蠟與水之間的熱量交換。物理模型：細(xì)化系統(tǒng)中各部件物理模型，如熱交換器、管道等。數(shù)學(xué)模型：基于能量守恒和傳熱學(xué)原理，建立描述系統(tǒng)運行過程的數(shù)學(xué)模型。（三）單罐蓄熱生活熱水系統(tǒng)影響因素水流流速的影響：改變水流流速進(jìn)行實驗和模擬。水流流速增大，熱交換效率提高，但可能導(dǎo)致系統(tǒng)壓力損失增加，能耗上升。水流入口溫度的影響：研究不同水流入口溫度對系統(tǒng)性能的影響。水流入口溫度升高，可提高熱水產(chǎn)出溫度，但會影響石蠟的蓄熱和放熱過程。（四）軸向級聯(lián)與徑向級聯(lián)對比研究數(shù)理模型：建立軸向級聯(lián)和徑向級聯(lián)單罐蓄熱生活熱水系統(tǒng)數(shù)理模型。軸向級聯(lián)與徑向級聯(lián)熱能利用效果對比：通過實驗和模擬對比兩種級聯(lián)方式的熱能利用效果。結(jié)果表明，徑向級聯(lián)在某些工況下能更有效地利用熱能，提高系統(tǒng)效率。（五）本章小結(jié)對單罐蓄熱生活熱水系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析了影響因素，對比了軸向級聯(lián)與徑向級聯(lián)方式。為單罐蓄熱生活熱水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論和實踐依據(jù)。六、總結(jié)與展望（一）總結(jié)通過實驗和模擬研究，深入分析了單罐石蠟蓄熱系統(tǒng)傳熱性能。明