【摘 要】
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太阳能凭借分布广泛、易获取以及清洁无污染的优势而具有巨大的应用潜力。但由于太阳辐射的能流密度低、存在间歇性以及辐射强度不稳定的特点使其在中高温热应用领域的保障率较低,因此开发高效稳定的储能技术是拓展太阳能热利用范围的关键技术之一。相变储热因其储热密度高、装置体积小、储释热温度稳定性好、安全可靠成为应用最广泛的形式之一。熔融盐作为最主要的中温相变材料,其导热系数低导致储热性能差,为了强化传热,需要提
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太阳能凭借分布广泛、易获取以及清洁无污染的优势而具有巨大的应用潜力。但由于太阳辐射的能流密度低、存在间歇性以及辐射强度不稳定的特点使其在中高温热应用领域的保障率较低,因此开发高效稳定的储能技术是拓展太阳能热利用范围的关键技术之一。相变储热因其储热密度高、装置体积小、储释热温度稳定性好、安全可靠成为应用最广泛的形式之一。熔融盐作为最主要的中温相变材料,其导热系数低导致储热性能差,为了强化传热,需要提升导热系数或对储热装置进行结构优化。本文采用数值模拟与实验相结合的方法对管壳式相变储热装置内部的融化与凝固行为、强化传热机理、结构优化设计等方面进行了深入研究,此外为进一步提升相变储热装置的热性能,本文还对储热系统的运行策略进行了初步探讨,为管壳式相变储热装置在工程应用中提供了一定的理论参考。本文的主要研究内容与结果如下:（1）基于多孔介质-焓法建立了相变储热三维数学模型,对稳定热边界条件进行了储放热过程的数值模拟,并进行了网格无关性验证。为了证明模拟结果的可靠性,搭建相变储热实验平台对单管结构和多管结构的相变储热模型进行了实验验证,实验结果与模拟结果吻合良好。同时为确保恒壁温假设的合理性,在实验过程中测量了换热流体的进出口温度,结果表明当相变储热装置平稳工作后,换热流体进出口温差最大为2.1℃,因此模型中所采用的恒壁温假设是合理的。（2）针对于单管束结构导致的热源过于集中使部分区域成为传热盲区的问题,本文提出了采用多管束分散热源的改进方案,研究了不同规格、数量的换热管与翅片对相变储热装置储/放热性能的影响,对相变储热装置内部的融化/凝固行为及传热机理进行了探究。分析发现:在储热过程中增大翅片的传热面积比增大换热管的传热面积更有利于提升相变储热装置的储热速率;在放热过程中,换热管与翅片在相变储热装置内越分散,放热效果越好。同时基于储/放热过程中的融化速率、储/放热量、热损失、传热功率和温度分布均匀性等多个热性能指标进行了加权处理,对相变储热装置进行了优化选型。（3）基于相变储热装置在优化选型过程中的融化/凝固行为和传热规律特点,对优选出的相变储热装置结构进行反馈补偿的非对称设计,采用数值模拟探究了相变储热装置在非对称结构条件下的凝固与融化规律。非对称换热管布置相比对称多管束布置,其相变储热装置完全融化时长缩短了2700s,相对于原结构缩短了6300s,在放热过程中相对于移动之前温度均匀性降低了3.4%,同时使热损失减少了14.6%。（4）通过对相变储热装置运行策略的调整,以牺牲部分热量为代价从而换取相变储热装置其他方面性能的提升。当管道长度为15m时,缩短3600s左右的储热时长,使储热量减少了18.4%,热损失减少了32.2%,平均传热功率增加了25.3%;当将放热工作时间缩短为3h,4h和5h,放热量分别缩短了17.6%,8.8%和3%,平均传热功率分别提升了64.8%,36.9%和16.4%。同时通过对各个管束开启时间的调控使相变储热装置在前4.2%的时间里放热量从27.6%降低到6%,避免了相变储热装置热量在前期的大量集中释放。
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