热管冰蓄冷实验研究与数值计算

论文摘要

随着我国的经济快速发展,我国的用电量也日趋紧张。尤其在用电高峰期,电力不足导致要经常拉闸限电。冰蓄冷技术正是利用了低谷电,平衡了电网的负荷,国家采取的很多措施更促进了冰蓄冷技术的快速发展。热管作为一种高效的传热元件被应用在各行各业,而在冰蓄冷中的应用较少。本文针对设计出的既可蓄冰又可融冰的热管冰蓄冷装置进行研究,对该装置蓄冰进行实验研究和数值分析。本文首先对冰蓄冷技术和热管在蓄能上的研究进行了总结,并提出了研究内容和重点。然后根据实验的要求,建立了热管蓄融冰的实验系统;并对影响热管蓄冰的各个因素(乙二醇的温度和流量、热管的充液量和不同长度比)进行了实验,同时对蓄冰过程中蓄冰桶内的温度分布进行了分析;实验结果得出了充液量低的热管更有利于热管蓄冰,乙二醇溶液的温度较低以及其流量较大都有利于蓄冰。从蓄冰桶内温度的分布得知,受到水的自然对流的影响,蓄冰桶内的温度分布发生了翻转,导致了最后结冰的形状为倒梨形。结冰结束后,对热管融冰进行了实验,得出乙二醇溶液的流量对融冰的影响较小,即不同乙二醇流量下的融冰时间基本上一样。根据实际情况对热管蓄冰模型进行了简化,建立了热管蓄冰的数理模型。应用数值模拟软件Fluent进行模拟计算,由于模型的热流边界条件不是定热流,而是变热流边界条件,因此在模拟计算中应该以自定义函数(UDF)的形式给出;考虑到水是非Boussinesq流体,其密度随温度的变化不是线性关系,因此不能用Boussinesq假设进行计算,其密度随温度的关系式也以UDF的形式给定。数值计算结果和实验结果在蓄冰过程中的温度分布和蓄冰量方面基本上一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 冰蓄冷技术的概述
• 1.2.1 冰蓄冷技术的原理
• 1.2.2 冰蓄冷的分类
• 1.2.3 过冷现象
• 1.2.4 国内外蓄融冰研究现状
• 1.3 热管技术概述
• 1.3.1 热管的发展概况
• 1.3.2 两相闭式热虹吸管
• 1.4 热管在冰蓄冷及蓄能方向上的研究
• 1.4.1 热管式冰蓄冷空调的运行特性及分析
• 1.4.2 分离式热管蓄冰研究
• 1.4.3 热管式相变蓄热换热装置
• 1.5 本文的研究任务和目的
• 第二章 热管冰蓄冷实验系统及实验装置
• 2.1 热管冰蓄冷实验系统
• 2.1.1 热管蓄冰原理
• 2.1.2 热管融冰原理
• 2.2 实验装置设计
• 2.2.1 热管的设计
• 2.2.2 实验桶体的设计
• 2.2.3 融冰蒸发段的设计
• 2.3 实验方案设计
• 2.4 实验仪器及实验参数
• 2.4.1 实验仪器
• 2.4.2 相关实验测量参数
• 2.4.3 实验数据误差分析
• 第三章 热管冰蓄冷实验结果及分析
• 3.1 不同因素对热管蓄冰工况的影响
• 3.1.1 不同三段长度比对热管蓄冰工况的影响
• 3.1.2 不同乙二醇溶液温度对热管蓄冰工况的影响
• 3.1.3 不同乙二醇溶液流量对热管蓄冰工况的影响
• 3.1.4 不同热管充液量对热管蓄冰工况的影响
• 3.2 热管蓄冰过程中蓄冰桶内的温度分布
• 3.3 热管融冰过程中蓄冰桶内的温度分布
• 3.4 热管的蓄冰量随时间的变化
• 第四章 热管蓄冰数理模型建立
• 4.1 热管蓄冰的数理模型
• 4.1.1 热管冰蓄冷的物理模型
• 4.1.2 热管冰蓄冷的数学模型
• 4.2 热虹吸管内部传热过程
• 4.2.1 热虹吸管蒸发段传热过程
• 4.2.2 热虹吸管冷凝段传热过程
• 4.3 热管蓄冰耦合边界条件
• 4.4 Fluent模拟凝固问题的理论
• 4.4.1 Fluent软件简介
• 4.4.2 Solidification/Melting物理模型
• 4.4.3 自定义函数（UDF）
• 第五章 热管蓄冰数值模拟
• 5.1 网格划分及边界条件
• 5.1.1 网格的划分
• 5.1.2 边界条件的确定
• 5.2 数值计算过程的设置
• 5.2.1 Fluent软件的设置
• 5.2.2 水的自然对流的处理
• 5.3 热管蓄冰数值模拟结果
• 5.3.1 数值模拟和实验温度分布对比
• 5.3.2 不同时间的数值模拟温度分布
• 5.3.3 不同时间的数值模拟结冰厚度
• 5.3.4 不同时间的数值模拟热流密度
• 第六章 总结
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文
• 致谢