發(fā)布時(shí)間：2020-11-01 22:35

　　 伴隨經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,人們關(guān)注的重點(diǎn),慢慢的從經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)移到倡導(dǎo)能源低碳運(yùn)行、提高資源利用率、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)和諧可持續(xù)發(fā)展上來。為了解決能源需求急劇增長而供應(yīng)不足等一系列問題,除了大力開展節(jié)能、科學(xué)用能和化石燃料的清潔高效利用等研究以外,還必須加快可再生能源如太陽能、風(fēng)能等的開發(fā)和利用。然而風(fēng)能、潮汐能、太陽能等可再生能源具有間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn),其并網(wǎng)將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊,導(dǎo)致棄風(fēng)、棄光等浪費(fèi)能源的現(xiàn)象非常嚴(yán)重。為了解決這類問題,研究者們提出采用儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)可持續(xù)能源進(jìn)行調(diào)節(jié),但傳統(tǒng)的抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等儲(chǔ)能方式受到地理?xiàng)l件的限制,影響其大規(guī)模的利用。為了解決此類問題,我國中科院提出了超臨界壓縮空氣的儲(chǔ)能方式,其不受地理?xiàng)l件的限制并可大規(guī)模應(yīng)用。超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)主要是將空氣壓縮到超臨界狀態(tài),冷卻液化之后儲(chǔ)存在低溫儲(chǔ)罐中。在壓縮過程中由于空氣的壓力升高而產(chǎn)生大量的壓縮熱,為提高系統(tǒng)效率,需要在壓縮過程中采用級(jí)間冷卻技術(shù),將壓縮熱通過翅片管式氣-液換熱器換熱后儲(chǔ)存在良好的蓄熱介質(zhì)中。因此換熱器作為蓄熱系統(tǒng)的核心部件,其性能將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的效率。本文以國家“973”項(xiàng)目-“中高溫儲(chǔ)熱材料與儲(chǔ)熱單元傳熱強(qiáng)化機(jī)理”(項(xiàng)目編號(hào):NO.2015CB251303)為依托,采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法展開研究。在實(shí)驗(yàn)部分,針對(duì)四種不同翅片間距的翅片管式氣-液換熱器,采用高溫空氣-熔鹽(Hitec)、水-空氣、乙二醇溶液-空氣進(jìn)行對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn),通過改變管內(nèi)外介質(zhì)流速以對(duì)其變工況下的換熱和流動(dòng)情況展開對(duì)比分析。數(shù)值模擬部分建立了翅片管式氣-液換熱器的三維模型,著重考察高溫空氣-熔鹽換熱時(shí)壓力、流速等工況的變化對(duì)換熱性能及阻力特性的影響。研究結(jié)果對(duì)超臨界壓縮空氣系統(tǒng)中壓縮熱的高效回收利用具有一定的指導(dǎo)意義。本文主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下:(1)對(duì)翅片管式高溫空氣-熔鹽換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,搭建了高溫空氣-熔鹽換熱系統(tǒng),其子系統(tǒng)包括熔鹽主回路系統(tǒng)、熱空氣系統(tǒng)、導(dǎo)熱油冷卻系統(tǒng)、水循環(huán)冷卻系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)通過熱平衡原理對(duì)加熱量和流體流量進(jìn)行調(diào)節(jié),熔鹽從空氣中吸收熱量,再與導(dǎo)熱油換熱釋放熱量,使系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)。(2)實(shí)驗(yàn)分四步進(jìn)行,第一步通過導(dǎo)熱油冷卻系統(tǒng)反推熔鹽流量,確定了熔鹽泵頻率與熔鹽流量的關(guān)系,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,擬合出兩者之間的線性關(guān)系式q_(ms)=0.01456f_p-0.2318;第二步進(jìn)行高溫空氣-熔鹽換熱實(shí)驗(yàn),得到了高溫空氣流速、熔鹽流速、翅片間距變化對(duì)換熱和流動(dòng)特性的影響規(guī)律;第三步進(jìn)行水-空氣、乙二醇-空氣的對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)得到了水、乙二醇、空氣三種流體流速及翅片間距的變化對(duì)其換熱和流動(dòng)特性的影響規(guī)律;第四步,總結(jié)實(shí)驗(yàn)各部分得到的換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。(3)對(duì)翅片管式氣-液換熱器建立了三維計(jì)算模型,采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究。在建模時(shí),考慮到管內(nèi)熔鹽的動(dòng)力粘度隨溫度變動(dòng)大的特點(diǎn),將管內(nèi)熔鹽與管外空氣的對(duì)流換熱進(jìn)行耦合計(jì)算,從而避免了以往在計(jì)算中將管內(nèi)壁設(shè)置為恒熱流或恒壁溫而產(chǎn)生的誤差。結(jié)果表明:1)隨著空氣的流動(dòng),前排管尾流區(qū)比后排管尾流區(qū)范圍小,后排管換熱較差。且隨著流速的增加,背風(fēng)側(cè)即管排后方的低溫區(qū)范圍逐漸減小,因回流產(chǎn)生的流動(dòng)死區(qū)面積逐漸減小,換熱增強(qiáng)。2)隨著空氣壓力的增大,翅片表面平均溫度升高,等溫線更趨于規(guī)則,接近圓環(huán)狀,而且溫度等值線分布越來越密集,溫度梯度逐漸變大,換熱得到強(qiáng)化,表現(xiàn)為換熱系數(shù)逐漸增大。3)空氣壓力為0.1MPa時(shí),其換熱系數(shù)及流動(dòng)阻力系數(shù)幾乎隨空氣側(cè)Re數(shù)的增加呈線性變化,而壓力工況為0.63MPa時(shí),二者都呈非線性趨勢(shì)。
【學(xué)位單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TK124
【文章目錄】：
摘要
Abstract
物理量名稱及符號(hào)表
第1章 緒論
    1.1 引言
    1.2 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
        1.2.1 CAES技術(shù)研究現(xiàn)狀
        1.2.2 超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)研究
    1.3 熔鹽蓄熱的研究現(xiàn)狀
    1.4 翅片管式換熱器的研究進(jìn)展
        1.4.1 國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀
        1.4.2 數(shù)值模擬方法在翅片管式換熱器研究中的應(yīng)用
    1.5 本文研究內(nèi)容
第2章 翅片管式氣-液換熱器傳熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方案
    2.1 實(shí)驗(yàn)原理
    2.2 高溫空氣-熔鹽換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成
        2.2.1 熔鹽主回路系統(tǒng)
        2.2.2 熱空氣系統(tǒng)
        2.2.3 導(dǎo)熱油冷卻系統(tǒng)
        2.2.4 水循環(huán)冷卻系統(tǒng)
        2.2.5 測(cè)試系統(tǒng)
    2.3 高溫空氣-熔鹽換熱實(shí)驗(yàn)操作方法
        2.3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段
        2.3.2 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行和結(jié)束階段
    2.4 水-空氣、乙二醇溶液-空氣換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹
    2.5 本章小結(jié)
第3章 翅片管式氣-液換熱器對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)研究
    3.1 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)物性參數(shù)
        3.1.1 導(dǎo)熱油物性參數(shù)
        3.1.2 熔鹽物性參數(shù)
        3.1.3 空氣物性參數(shù)
        3.1.4 乙二醇（56%）溶液物性參數(shù)
    3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
    3.3 高溫空氣-熔鹽對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
        3.3.1 管內(nèi)工質(zhì)側(cè)傳熱性能分析
        3.3.2 管外空氣側(cè)傳熱及阻力特性分析
    3.4 水和乙二醇溶液對(duì)空氣對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
        3.4.1 管內(nèi)工質(zhì)側(cè)傳熱性能分析
        3.4.2 管外空氣側(cè)傳熱及阻力特性分析
    3.5 實(shí)驗(yàn)誤差分析
        3.5.1 測(cè)量誤差
        3.5.2 理論誤差
    3.6 本章小結(jié)
第4章 翅片管式高溫空氣-熔鹽換熱器的數(shù)值模擬研究
    4.1 CFD數(shù)值模擬方法
    4.2 數(shù)學(xué)物理模型
    4.3 模型的網(wǎng)格劃分
    4.4 邊界條件的設(shè)定
    4.5 計(jì)算區(qū)域的數(shù)學(xué)描述
    4.6 數(shù)值模擬驗(yàn)證
    4.7 數(shù)據(jù)整理方法
    4.8 模擬結(jié)果分析
        4.8.1 整體溫度場(chǎng)分布
        4.8.2 空氣流速對(duì)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的影響
        4.8.3 空氣壓力對(duì)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的影響
        4.8.4 翅片管換熱器傳熱性能的綜合評(píng)價(jià)
    4.9 本章小結(jié)
結(jié)論與展望
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
致謝

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本文編號(hào)：2866199