基本信息
- 項目名稱：
- 低溫相變材料蓄冷特性的數(shù)值模擬與實驗研究
- 小類：
- 能源化工
- 簡介：
- 目前，眾多學(xué)者對相變蓄能材料蓄冷特性進行了大量的研究，但現(xiàn)有研究大多集中于水蓄冷、冰蓄冷、氣體水合物、石蠟等蓄能方向，而對于建筑蓄冷常用的水合鹽體系蓄冷特性的研究尚很缺乏。 本課題旨在為揭示低溫相變儲能材料蓄冷特性提供理論參考，研究水鹽二元體系蓄冷過程的動態(tài)變化規(guī)律及影響因素，為建筑相變蓄能材料的制備及性能研究提供技術(shù)支持。
- 詳細介紹：
- 能源與環(huán)境問題成為世界關(guān)注的兩大熱點問題。在能源日趨緊張的背景下，開展可再生能源、新能源的研究勢在必行。相變蓄能技術(shù)是近年來研究發(fā)展的一種新型節(jié)能方式，成為能源與材料領(lǐng)域研究的熱點問題。建筑領(lǐng)域開展相變蓄能的研究對于有效利用能源，降低建筑能耗，節(jié)省運行費用，提高建筑熱舒適度，減少環(huán)境污染和溫室氣體排放具有重要意義。 目前，國內(nèi)外學(xué)者對建筑相變蓄能材料的蓄冷特性進行了大量的研究，但現(xiàn)有的研究大多集中于水蓄冷、冰蓄冷、氣體水合物、石蠟等蓄能方向，而對于建筑蓄冷常用的水合鹽體系蓄冷特性的研究尚很缺乏。 本課題旨在為揭示低溫相變儲能材料蓄冷特性提供理論參考，研究水鹽二元體系蓄冷過程的動態(tài)變化規(guī)律及影響因素，為建筑相變蓄能材料的制備及性能研究提供技術(shù)支持。 基于混合物理論和連續(xù)介質(zhì)參考系，對水鹽二元體系蓄冷過程傳熱傳質(zhì)進行了系統(tǒng)的理論分析，建立了一個描述水鹽二元體系蓄冷過程的動態(tài)模型，構(gòu)造了求解控制方程組的基本思想和求解方法。采用了基于有限差分法的Fluent軟件進行了模擬計算，并編譯了UDF代碼用以補充修正具體問題下的物性參數(shù)和邊界條件，探討了二維圓筒狀軸對稱容器的溫度場分布、流場分布和固液界面等變化規(guī)律。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 研究目的： 本課題旨在為揭示低溫相變儲能材料蓄冷特性機理提供理論參考，建立水鹽二元體系蓄冷過程的動態(tài)模型，構(gòu)造求解控制方程組的基本思想和CFD模擬方法；掌握相變過程中蓄冷材料內(nèi)部溫度場、流場及液相的分布規(guī)律。 研究思路： 本課題以低溫相變蓄冷材料水鹽二元體系為研究對象，采用理論分析與實驗測試相結(jié)合的方法。模擬出相變過程中蓄冷材料內(nèi)部溫度場、速度場的變化規(guī)律。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 創(chuàng)新點： (1) 本課題基于混合物理論，建立連續(xù)介質(zhì)模型，數(shù)值分析了二元共晶鹽體系蓄冷動態(tài)特性，得出其過程變化影響，從機理上揭示了低溫相變蓄冷材料蓄冷過程影響規(guī)律。 (2) 掌握了蓄冷容器內(nèi)溫度場、最大溫差和相變材料的份額的動態(tài)規(guī)律；揭示了蓄冷介質(zhì)物性與邊界條件等對蓄冷過程的影響機理；掌握了固液界面變化規(guī)律。 (3) 采用Fluent軟件模擬水鹽溶液體系相變凝固過程。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 應(yīng)用價值： 1）減少電力設(shè)備的初投資； 2）最大限度地節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)運行費用； 3）減少煙塵和二氧化碳的排放； 4）延長其使用壽命。 適宜場合： 1）商場、賓館、飯店、寫字樓、辦公樓等； 2）體育館、展覽館、影劇院等； 3）電子、制藥、化工、食品加工等； 4）校園、商業(yè)區(qū)、辦公區(qū)、高檔社區(qū)等；
學(xué)術(shù)論文摘要
- 本課題旨在為揭示低溫相變儲能材料蓄冷特性提供理論參考，研究水鹽二元體系蓄冷過程的動態(tài)變化規(guī)律及影響因素，為建筑相變蓄能材料的制備及性能研究提供技術(shù)支持。 建立了低溫相變蓄冷臺，以不同水合鹽材料為測試對象，測量了相變凝固過程中體系的動態(tài)溫度場。實驗結(jié)果和數(shù)值結(jié)果吻合較好，證明了數(shù)學(xué)模型的可行性，數(shù)值計算結(jié)果能夠預(yù)測蓄冷過程中溫度場、流場及液相分布的變化及其傳熱傳質(zhì)過程。 主要研究結(jié)論如下： 1）對于水鹽溶液體系，當處于共晶組分濃度時，其相變凝固過程與純物質(zhì)的相變過程相同，也存在一個比較明確的相變固液界面。 2）水鹽體系相變凝固過程中的自然對流因素的影響不可忽略，自然對流對相變過程中溫度場的分層方式，固液界面形狀等有直接的影響。 3）通過蓄冷過程特性的數(shù)值模擬計算及實驗測量分析，可得到容器內(nèi)詳細溫度分布、容器內(nèi)的最大溫差和相變材料的份額隨時間的變化等情況；從而了解蓄冷介質(zhì)的物性與外邊界條件等對蓄冷過程的影響，掌握固液界面運動變化規(guī)律，確定相變過程所需時間等參數(shù)，以此來指導(dǎo)低溫相變材料蓄冷容器設(shè)計。
獲獎情況
- 本作品的階段性成果在HVAC、A. and C. Engineering及國際暖通空調(diào)學(xué)術(shù)會議等發(fā)表，目錄如下： [1] Wei Cai, Xubo Yu, Danjun Wang, Linlin Gong, Jie Yang. Comparison of Thermal Storage Air Conditioning for High-rise Buildings in Typical Cities of Different Climatic Zones. HVAC, 2009, 11(1): 265-271. (EI收錄) [2] Wei Cai, Xubo Yu, Danjun Wang. A CFD Simulation of Cold Air Distribution System with Different Supply Patterns. ICCET, 2010, 5(1): 242-246. (EI收錄) [3] Wei Cai, Xubo Yu, Xiaodong Wen. A Case Study on Thermal Storage Air Conditioning System in Building Energy Conservation. A. and C. Engineering, 2010, 2(1): 1276-1278. (EI收錄)
鑒定結(jié)果
- 情況屬實
參考文獻
- [1] 劉玉東. 納米復(fù)合低溫相變蓄冷材料的制備及熱物性研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)博士論文，2005. [2] 臧建彬，何淑靜. 低共熔冰過冷問題的研究[J]. 制冷,2002,21(1):1-5. [3] 白博峰，李恒，蘇燕兵，等. 矩形腔內(nèi)純水凝固過程實驗研究[J]. 工程熱物理學(xué)報，2007, 28(3): 435-438. [4] 王志峰，王德芳. 二元固液相變過程的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值研究[J]. 太陽能學(xué)報，2000, 21(1): 7-14. [5] Khoudir Medjani. Numerical simulation of the formation of brine pockets during the freezing of the NaCl-H2O compound from above [J]. Int. Comm. Heat Mass Transfer, 1996, 23(7): 917-928. [6] 石科峰, 盧文強. 環(huán)形容器內(nèi)雙擴散對流的數(shù)值模擬[J]. 中國科學(xué)院研究生院學(xué)報，2005, 21(4): 152-156. [7] 甘慶軍. 蓄冰桶內(nèi)冰晶溶解過程的數(shù)學(xué)模型研究[J]. 流體機械， 2005, 33(4): 62-64.
同類課題研究水平概述
- 國內(nèi)外學(xué)者對相變蓄能材料的蓄冷特性進行了大量的研究，大多集中于水蓄冷、冰蓄冷、氣體水合物蓄冷方向的研究，而對于水鹽體系蓄冷過程的研究較少。主要概括為以下幾個方面： (1) 相變蓄冷材料熱物性的研究 相變蓄冷材料的熱物性是相變蓄能研究關(guān)注的焦點問題之一。聶光華等研究了相變儲熱材料水合鹽熱導(dǎo)率的測定方法，提出了用熱敏電阻測量熱導(dǎo)率，并對低熔點固體和液體的熱導(dǎo)率進行測定。劉玉東采用分散技術(shù)，在低溫相變蓄冷材料添加少量納米顆粒，進行了懸浮液穩(wěn)定性試驗，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性主要受分散劑和溶液PH值的影響；還測量了不同體積分數(shù)的納米復(fù)合蓄冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)，實驗證明了添加納米顆?？稍龃笕芤簩?dǎo)熱系數(shù)。 (2) 溶液相變結(jié)晶成核機理 從熱力學(xué)觀點，物體冷卻到相變溫度，就會發(fā)生相變而形成新相。 同一物質(zhì)的這兩種狀態(tài)在不同溫度下的自由能變化是不同的。影響晶核的形成率和成長率的最重要因素除了過冷度，還有液體中的難溶雜質(zhì)[4]。當液體中有難溶雜質(zhì)存在時，液體可以沿著這些現(xiàn)成的固體質(zhì)點表面產(chǎn)生晶核，減小它暴露于液體中的表面積，使表面能降低，其作用甚至?xí)h大于加速冷卻增大過冷度的影響。 (3) 固液相變體系凝固的數(shù)值模擬 純水冷凍過程中存在明確的相界面，凝固時整個液相區(qū)內(nèi)的溫度同時到達0℃，側(cè)壁冷卻條件下，在液相區(qū)內(nèi)可以明確的觀察到兩個對稱、流動方向相反的對流渦；在側(cè)壁和底部冷卻條件下，水平方向溫度梯度是液相區(qū)內(nèi)流動產(chǎn)生和發(fā)展的主要條件。 對于水鹽體系這種二元混合物，其在冷卻與凍結(jié)過程中的傳熱傳質(zhì)規(guī)律與上述的純水有所不同。Khoudir Medjani研究了工業(yè)上海水冷凍過程的數(shù)值模擬，采用連續(xù)型模型對NaCl－H2O二元混合物體系冷凍的傳熱傳質(zhì)建立了物理和數(shù)學(xué)模型。 溶液相變過程中，液相區(qū)的流動情形是非常復(fù)雜的，許多文獻對該區(qū)域內(nèi)的流動歸結(jié)為一種由熱浮升力和溶質(zhì)浮升力共同作用的雙擴散對流。結(jié)果表明：(1)與矩形容器相比，環(huán)形容器內(nèi)的雙擴散對流不再具有中心對稱的結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁面處的邊界層效應(yīng)要比外壁面處的明顯；(2)溶質(zhì)邊界層的厚度隨Le數(shù)的增大逐漸變薄，但熱邊界層的變化并不顯著；(3)當Le<10時，隨著Le數(shù)的增大Nu數(shù)上升得比較顯著，Le>10后則趨于平緩，但Sh數(shù)則隨Le數(shù)的增大一直呈穩(wěn)定上升的趨勢。
