基本信息
- 项目名称：
- 低温相变材料蓄冷特性的数值模拟与实验研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 目前，众多学者对相变蓄能材料蓄冷特性进行了大量的研究，但现有研究大多集中于水蓄冷、冰蓄冷、气体水合物、石蜡等蓄能方向，而对于建筑蓄冷常用的水合盐体系蓄冷特性的研究尚很缺乏。 本课题旨在为揭示低温相变储能材料蓄冷特性提供理论参考，研究水盐二元体系蓄冷过程的动态变化规律及影响因素，为建筑相变蓄能材料的制备及性能研究提供技术支持。
- 详细介绍：
- 能源与环境问题成为世界关注的两大热点问题。在能源日趋紧张的背景下，开展可再生能源、新能源的研究势在必行。相变蓄能技术是近年来研究发展的一种新型节能方式，成为能源与材料领域研究的热点问题。建筑领域开展相变蓄能的研究对于有效利用能源，降低建筑能耗，节省运行费用，提高建筑热舒适度，减少环境污染和温室气体排放具有重要意义。 目前，国内外学者对建筑相变蓄能材料的蓄冷特性进行了大量的研究，但现有的研究大多集中于水蓄冷、冰蓄冷、气体水合物、石蜡等蓄能方向，而对于建筑蓄冷常用的水合盐体系蓄冷特性的研究尚很缺乏。 本课题旨在为揭示低温相变储能材料蓄冷特性提供理论参考，研究水盐二元体系蓄冷过程的动态变化规律及影响因素，为建筑相变蓄能材料的制备及性能研究提供技术支持。 基于混合物理论和连续介质参考系，对水盐二元体系蓄冷过程传热传质进行了系统的理论分析，建立了一个描述水盐二元体系蓄冷过程的动态模型，构造了求解控制方程组的基本思想和求解方法。采用了基于有限差分法的Fluent软件进行了模拟计算，并编译了UDF代码用以补充修正具体问题下的物性参数和边界条件，探讨了二维圆筒状轴对称容器的温度场分布、流场分布和固液界面等变化规律。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 研究目的： 本课题旨在为揭示低温相变储能材料蓄冷特性机理提供理论参考，建立水盐二元体系蓄冷过程的动态模型，构造求解控制方程组的基本思想和CFD模拟方法；掌握相变过程中蓄冷材料内部温度场、流场及液相的分布规律。 研究思路： 本课题以低温相变蓄冷材料水盐二元体系为研究对象，采用理论分析与实验测试相结合的方法。模拟出相变过程中蓄冷材料内部温度场、速度场的变化规律。
科学性、先进性及独特之处
- 创新点： (1) 本课题基于混合物理论，建立连续介质模型，数值分析了二元共晶盐体系蓄冷动态特性，得出其过程变化影响，从机理上揭示了低温相变蓄冷材料蓄冷过程影响规律。 (2) 掌握了蓄冷容器内温度场、最大温差和相变材料的份额的动态规律；揭示了蓄冷介质物性与边界条件等对蓄冷过程的影响机理；掌握了固液界面变化规律。 (3) 采用Fluent软件模拟水盐溶液体系相变凝固过程。
应用价值和现实意义
- 应用价值： 1）减少电力设备的初投资； 2）最大限度地节省空调系统运行费用； 3）减少烟尘和二氧化碳的排放； 4）延长其使用寿命。 适宜场合： 1）商场、宾馆、饭店、写字楼、办公楼等； 2）体育馆、展览馆、影剧院等； 3）电子、制药、化工、食品加工等； 4）校园、商业区、办公区、高档社区等；
学术论文摘要
- 本课题旨在为揭示低温相变储能材料蓄冷特性提供理论参考，研究水盐二元体系蓄冷过程的动态变化规律及影响因素，为建筑相变蓄能材料的制备及性能研究提供技术支持。 建立了低温相变蓄冷台，以不同水合盐材料为测试对象，测量了相变凝固过程中体系的动态温度场。实验结果和数值结果吻合较好，证明了数学模型的可行性，数值计算结果能够预测蓄冷过程中温度场、流场及液相分布的变化及其传热传质过程。 主要研究结论如下： 1）对于水盐溶液体系，当处于共晶组分浓度时，其相变凝固过程与纯物质的相变过程相同，也存在一个比较明确的相变固液界面。 2）水盐体系相变凝固过程中的自然对流因素的影响不可忽略，自然对流对相变过程中温度场的分层方式，固液界面形状等有直接的影响。 3）通过蓄冷过程特性的数值模拟计算及实验测量分析，可得到容器内详细温度分布、容器内的最大温差和相变材料的份额随时间的变化等情况；从而了解蓄冷介质的物性与外边界条件等对蓄冷过程的影响，掌握固液界面运动变化规律，确定相变过程所需时间等参数，以此来指导低温相变材料蓄冷容器设计。
获奖情况
- 本作品的阶段性成果在HVAC、A. and C. Engineering及国际暖通空调学术会议等发表，目录如下： [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收录) [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收录) [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收录)
鉴定结果
- 情况属实
参考文献
- [1] 刘玉东. 纳米复合低温相变蓄冷材料的制备及热物性研究[D]. 重庆：重庆大学博士论文，2005. [2] 臧建彬，何淑静. 低共熔冰过冷问题的研究[J]. 制冷,2002,21(1):1-5. [3] 白博峰，李恒，苏燕兵，等. 矩形腔内纯水凝固过程实验研究[J]. 工程热物理学报，2007, 28(3): 435-438. [4] 王志峰，王德芳. 二元固液相变过程的三维非稳态数值研究[J]. 太阳能学报，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, 卢文强. 环形容器内双扩散对流的数值模拟[J]. 中国科学院研究生院学报，2005, 21(4): 152-156. [7] 甘庆军. 蓄冰桶内冰晶溶解过程的数学模型研究[J]. 流体机械， 2005, 33(4): 62-64.
同类课题研究水平概述
- 国内外学者对相变蓄能材料的蓄冷特性进行了大量的研究，大多集中于水蓄冷、冰蓄冷、气体水合物蓄冷方向的研究，而对于水盐体系蓄冷过程的研究较少。主要概括为以下几个方面： (1) 相变蓄冷材料热物性的研究 相变蓄冷材料的热物性是相变蓄能研究关注的焦点问题之一。聂光华等研究了相变储热材料水合盐热导率的测定方法，提出了用热敏电阻测量热导率，并对低熔点固体和液体的热导率进行测定。刘玉东采用分散技术，在低温相变蓄冷材料添加少量纳米颗粒，进行了悬浮液稳定性试验，发现稳定性主要受分散剂和溶液PH值的影响；还测量了不同体积分数的纳米复合蓄冷材料的导热系数，实验证明了添加纳米颗粒可增大溶液导热系数。 (2) 溶液相变结晶成核机理 从热力学观点，物体冷却到相变温度，就会发生相变而形成新相。 同一物质的这两种状态在不同温度下的自由能变化是不同的。影响晶核的形成率和成长率的最重要因素除了过冷度，还有液体中的难溶杂质[4]。当液体中有难溶杂质存在时，液体可以沿着这些现成的固体质点表面产生晶核，减小它暴露于液体中的表面积，使表面能降低，其作用甚至会远大于加速冷却增大过冷度的影响。 (3) 固液相变体系凝固的数值模拟 纯水冷冻过程中存在明确的相界面，凝固时整个液相区内的温度同时到达0℃，侧壁冷却条件下，在液相区内可以明确的观察到两个对称、流动方向相反的对流涡；在侧壁和底部冷却条件下，水平方向温度梯度是液相区内流动产生和发展的主要条件。 对于水盐体系这种二元混合物，其在冷却与冻结过程中的传热传质规律与上述的纯水有所不同。Khoudir Medjani研究了工业上海水冷冻过程的数值模拟，采用连续型模型对NaCl－H2O二元混合物体系冷冻的传热传质建立了物理和数学模型。 溶液相变过程中，液相区的流动情形是非常复杂的，许多文献对该区域内的流动归结为一种由热浮升力和溶质浮升力共同作用的双扩散对流。结果表明：(1)与矩形容器相比，环形容器内的双扩散对流不再具有中心对称的结构，内壁面处的边界层效应要比外壁面处的明显；(2)溶质边界层的厚度随Le数的增大逐渐变薄，但热边界层的变化并不显著；(3)当Le<10时，随着Le数的增大Nu数上升得比较显著，Le>10后则趋于平缓，但Sh数则随Le数的增大一直呈稳定上升的趋势。
