环腔结构相变蓄热传热特性分析及其控制

论文摘要

汽车燃料燃烧发出的能量约1/3被有效利用,其它部分被排入到大气中,不仅造成能源巨大浪费,还带来较大污染。因此,新能源汽车和节能汽车将是一个重要的发展方向,有效利用汽车排放余热是实现汽车节能的一个重要研究主题。而相变蓄能技术作为回收再利用汽车余热的有效途径,是节能的绿色技术。目前,我国该领域的技术研究刚刚起步,很多问题亟需解决。本文通过研究分析国内外发动机余热利用现状及相变蓄能技术,设计结构紧凑的环腔相变蓄热装置及其保温结构,回收冷却介质携带废热,停机长时间保温以供低温冷启动时迅速预热机体及周边气缸,改善冷启动热氛围,并向室内通风暖车,提高舒适性。利用CFD方法对其传热耦合及能量流动特性进行模拟并作深入分析探讨,为进一步优化装置提供依据。本文系统阐述了蓄能控制系统基本组成及原理,确定蓄能装置安装位置,并选择Ba(OH)2·8H2O作储能介质。将根据低温冷启动预热发动机及室内空间需热量,对环腔结构蓄热器蓄能量进行评估与计算,完成其结构尺寸的设计；利用热焓法求解相变传热特性,探讨得到相变问题模拟要点；建立环腔结构蓄热器模型并对其进行简化,设定材料属性及求解条件,进行计算并作深入分析探讨。在能量蓄入过程模拟研究中,系统研究了腔式蓄热单元体个数、长度、蓄热器叠加个数、空隙比、相变工质导热系数,热媒体入口温度、流量以及环境温度的影响特性。结果表明,给定蓄热装置,一定条件下,相变工质导热系数,热媒体入口温度及流量对蓄能时间及蓄能功率影响均较大,要获得较短的蓄能时间及较大的蓄能功率,标准工况下应以储能介质导热系数1.2W/(m·K),入口温度368.15K,入口流量19.23L/min为宜,而环境温度对蓄能时间及蓄能功率影响相对较小。特别分析多个蓄热器并联叠加对蓄热特性的影响。结果显示,蓄能量成倍递增,蓄能时间仅呈线性递增,可满足不同供能需求。通过改变蓄热器结构,得到蓄热单元体个数及长度对蓄热时间及蓄能功率影响均较大,空隙比对蓄能时间影响较大,但对蓄能功率的影响相对较小。在能量释放过程模拟研究中,也系统分析了腔式蓄热单元体个数、长度、蓄热器叠加个数、空隙比、相变工质导热系数,热媒体入口温度、流量以及环境温度的影响特性。研究表明,给定蓄热装置,一定条件下,相变工质导热系数及冷媒体入口流量对放热时间及放热功率的影响较大,要获得较短的取热时间及较大的取热功率,以储能介质导热系数1.2W/(m·K),冷媒体入口流量10.2L/min为宜。环境温度及冷媒体入口温度对放热时间及放热功率影响相对较小。特别分析了多个蓄热器并联叠加对放热特性的影响。结果显示,放热量成倍递增,放热时间仅呈线性递增,可满足不同层次供能需求。通过改变蓄热器结构,结果显示蓄热单元体个数及长度对放热时间及放热功率影响均较大；空隙比对放时间影响较大,但对放热功率影响相对较小。此外,在计算能量保持及流动性能时,选择高闭孔率的聚氨酯硬泡塑料作为保温工质,模拟分析了保温工质导热系数,保温层厚度以及环境温度的影响特性。结果表明,一定条件下,保温工质导热系数、保温层厚度及环境温度对保温性能的影响均较大,热损耗随着导热系数增大线性递增,随着环境温度升高和保温层厚度增大均呈线性递减。纵观相变蓄热传热特性的研究,环腔结构蓄热器及其保温措施可实现发动机余热的快速蓄放及能量的长期保持,以在冷启动时迅速预热机体及周边气缸,改善冷启动热氛围,为进一步探索汽车余热利用提供依据。通过分析各因素对蓄放热及保温特性的影响,为更深入研究及优化结构奠定基础。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 相关领域国内外研究现状
• 1.2.1 发动机余热利用国内外研究
• 1.2.2 相变蓄能技术国内外研究
• 1.3 本文研究主要内容
• 第2章 环腔结构相变蓄热器的设计和模型建立
• 2.1 蓄能控制系统基本组成
• 2.2 环腔结构蓄热器设计
• 2.2.1 材料选择及依据
• 2.2.2 蓄能量评估与计算
• 2.2.3 结构设计
• 2.3 蓄热器模型及分析方法
• 2.3.1 相变传热理论及求解方法
• 2.3.2 物理模型及简化
• 2.3.3 数学模型建立
• 2.3.4 求解条件设定
• 2.4 计算模型建立
• 2.4.1 网格划分
• 2.4.2 参数设置
• 2.5 本章小结
• 第3章 能量蓄入过程特性研究
• 3.1 蓄热器结构因素影响分析
• 3.1.1 蓄热单元体个数影响
• 3.1.2 蓄热器内空隙比影响
• 3.1.3 蓄热单元体长度影响
• 3.2 蓄热器叠加个数影响分析
• 3.3 相变工质导热系数影响分析
• 3.4 热媒体流动及物性参数影响分析
• 3.4.1 载热流体流量影响
• 3.4.2 载热流体温度影响
• 3.5 环境温度影响分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 能量释放过程特性研究
• 4.1 蓄热器结构因素影响分析
• 4.1.1 蓄热单元体个数影响
• 4.1.2 蓄热器内空隙比影响
• 4.1.3 蓄热单元体长度影响
• 4.2 蓄热器叠加个数影响分析
• 4.3 相变工质导热系数影响分析
• 4.4 冷媒体流动及物性参数影响分析
• 4.4.1 冷媒体流量影响
• 4.4.2 冷媒体温度影响
• 4.5 蓄热器初始温度影响分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 能量保持及流动性能研究
• 5.1 保温工质选取及模型建立
• 5.1.1 保温工质选取
• 5.1.2 计算模型建立
• 5.2 能量保持过程特性分析
• 5.2.1 保温工质导热系数影响
• 5.2.2 环境温度影响
• 5.2.3 保温层厚度影响
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢