第讲相变贮能装置热设计方法.ppt
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1、PCM贮热装置热设计方法,焦冬生 热科学与能源工程系,2,内容,相变贮能装置容量设计的一般准则 相变材料的封装 分布式相变贮能床设计 贮能床压降和泵功的确定,3,换热器,按照传送能量的方法: 间壁式:热流体和冷流体间有一固体壁面,一种流体恒在壁的一侧流动,而另一流体恒在壁的另侧流动,两种流体不直接接触,热量通过壁面而进行传递。 混合式:依靠热流体和冷流体的直接接触而进行传热; 蓄热式:其中也有固体壁面,但两种流体并非同时而是轮流地和壁面接触,当热流体流过时,把热量蓄于壁内,其温度逐渐升高,而当冷流体流过时,壁面放热,其温度逐渐降低,如此反复进行,以达到热交换的目的。,4,流动方式,顺流式(并流
2、式):两种流体平行地向着同一个方向流动; 逆流式:两种流体也是平行流动,但它们的流动方向相反;,中国科学技术大学相变贮能讲义,5,流动方式,错流式:两种流体的流动方向相互垂直交叉。当交叉次数在四次以上时,可根据两种流体流向的总趋势将其看成是顺流或逆流; 混合式:两种流体在流动过程中既有顺流部分,又有逆流部分;,6,管壳式换热器,7,稳态传热的基本方程式为 热负荷 总传热系数 对数平均温度差,8,阻力,管程阻力可按一般摩擦阻力计算式可得。但管程总的阻力应是各程直管摩擦阻力、每程回弯阻力以及进出口阻力(可忽略不计 )三项之和 Ft结构校正系数; Ns串联的壳程数,指串联的换热器数; Np管程数,9
3、,阻力,对于壳程阻力的计算,由于流动状态比较复杂,计算公式较多,计算结果相差较大。 -流过管束的阻力损失,; -流过折流板缺口的阻力损失,; Fs-壳程阻力结垢校正系数,对液体可取Fs=1.15,对气体或可凝蒸汽取Fs=1.0; Ns-壳程数;,10,换热器分析,有效度是一个换热器的实际传热速率与最大传热速率之比。 最大可能传热速率:从原则上讲,是一个无穷长的逆流换热器可以达到的传热速率。,11,换热器分析,传热单元数NTU-是流体间平均温差为1 度时的传热速率与两种流体中热容量流率较小的流体温度改变1度时的传热速率之比值。 对于任何换热器,可以有,12,热管换热器,13,贮热换热器理论基础,
4、相图 结晶动力学 传热计算,14,贮热换热器试验基础,圆管 矩形,15,简单区域中的相变传热 (水平圆管内熔化),由于固态PCM的密度大于液态PCM的密度,熔化过程中,固态PCM不断下沉。 以开始熔化t=0时的固态Mf圆心为参考,上界面与管壁顶端的距离,16,简单区域中的相变传热 (水平圆管内熔化),引入无量纲几何参数和时间参数:,17,物理和数学模型,利用质量守恒和动量守恒 假设: 底层狭层区域的流动是准稳态流动 径向压力梯度、流动速度忽略 体积力可忽略 流体密度为常数,18,层底流体对固体PCM的托力等于所受重力和浮力之差,19,解方程,液态PCM质量的比率,20,方程(1-4)可计算溶化
5、过程中几乎所有的重要参数。 适用条件为,21,水平椭圆管,,由于椭圆与圆、球不同,没有固定的半径,因而难以得到其管内接触熔化问题的解析解。 采用分段圆弧法,,b a,r1,r2,0,22,水平椭圆管,定义 椭圆管熔化率 对于固体顶部的非接触融化距离,23,24,25,26,即对半径为r2的圆弧,D=0.1,得,27,熔化过程中的平均Nusselt数,熔化过程的平均Nusselt数 无量纲,28,求解,以上各式均为复杂的积分或微分方程,没有显式解因而需要通过数值计算求得。 其步骤为:当 时 将式(5298)与(5299)代入式(5-301),求得 的变化规律。 求 的 值作为式(5.302)的积
6、分边界条件,进而得 的变化规律 将1与2步骤求得的 分别代人式(5297)、(5.304)可求得熔化率 及平均 数 当 时,以上各量从步骤2开始计算:,29,结果,30,自然对流对相变传热的影响 实验 熔化和凝固 雷诺数大于1700时产生自然对流。 水平管,竖直管、板;矩形腔内,水平管内,球内的试验,经过短暂的导热阶段后,自然对流将产生和发展。,实际影响因素,31,新相的体积 埋于n-octadecance(18)中水平圆管加热器所熔化的体积 水平面从下往上的熔化(无自然对流),平板熔化层的厚度 n-eicosane(20)在竖直圆管上由传导控制的凝固,32,传热系数 局部传热系数 用阴影法测
7、得的均匀加热水平管的局部传热系数 加热面传热系数,33,34,相界面传热系数 水平圆柱热源准稳态熔化时界面局部传热系数 所埋圆柱熔化时的周向平均传热系数 从圆柱外高度为L的环形区间的外表面加热熔化,35,相界面位置,从下部加热熔化或从上部凝固,固液界面能量平衡方程 传热系数可由无相变从下部加热液体层的自然对流公式确定,36,n-octadecance在圆柱均匀加热熔化,n-heptadecance被冷的水平圆管冷却而向外固化,熔化过程中自然对流的影响是最主要的, 对相变系统的任何分析都必须加以考虑。,37,界面由对流的多维相变,38,相变装置传热设计准则,对LHTES装置经济性和可行性的正确认
8、识必须有关于PCM中的传热和相变过程定量数据的分析 热物性对贮热和释热过程的影响程度; 贮热装置所需的PCM质量; 相变过程所需的时间; 液相PCM中传导和对流的相对重要性,39,多维固化的相似准则(忽略自然对流) 热容可忽略; 热物性随温度的变化很小; PCM以及冷却剂的温度在整个对流冷却表面均匀,因而传热系数均匀; 固化开始后,液相中的传热可忽略,界面能量平衡方程也忽略。,40,根据能量守恒方程,固化所需的无量纲时间 计算量减少 难以处理的问题成为可能 即使相似准则所依赖的假设被适度违反,它的有效性也不会受到很大的破坏。,41,潜热贮热装置的有效度-NTU法 假设 平衡固化具有光滑的界面
9、PCM的固液相密度差的影响可忽略 在狭窄的工作温度范围内每相中的热物性与温度无关 管壁面的传热系数和冷却剂温度分布均匀 传热系数和冷却剂温度不随时间变化 液相PCM初始处于熔点温度 能量守恒 传热单元数 有效度,42,有效度 为一个换热器的实际传热率 与最大可能传热速率比值 传热单元数 是流体间平均温差为1度时 的传热速率与两种流体中 热容量流率较小的流体温差 改变1度时的传热速率之值,43,改善传热的方法 在令人满意的系统设计、建造和运行之前,一些与装置充热、释热有关的问题必须解决 不相容 成核 传热 强化传热(固化) 用扩展表面强化传热:凝固、熔化、增稠剂 用主动性方法强化:搅拌、悬浮液,
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- 相变 装置 设计 方法
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