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摘 要

蒸汽直接发生器（DSG）相变储热装置是太阳能热力发电系统和余热利用系统中重要的储能系统。其一般采用熔融盐作为相变储能材料，并通过自身的相变以及与高温高压水（蒸汽）间的换热实现热能的存储和释放。为了分析吸热过程中熔融盐和蒸汽的温度演变规律，并且得到影响吸热过程的影响因素，以DSG相变储热装置为研究对象，将相变材料（熔融盐）利用数值求解法建立数值模型，然后针对换热器的储热流程通过使用计算流体力学CFD建模软件的功能来进行模型搭建和求解计算，从而计算出相变材料所对应的液相体积分数、相界面位置、熔融盐和蒸汽随时间的关系曲线。结果显示，熔融盐的温度在热量传递的初期快速上升，达到相变温度时，开始熔化进行相变蓄热，之后温度发生变化不大的波动；水蒸气流体的温度几乎不变；相同时间内，PCM厚度为越小时液相体积分数增长越快；PCM厚度越大，液相体积分数增长越慢。

关键词：相变储热 数值模拟 相变材料 换热器

Numerical Simulation Analysis of Heat Storage Performance in CSG Phase Change Heat Storage Unit

Abstract

As a significant energy storage system in solar thermal power generation systems and waste heat utilization systems, the steam direct generator (DSG) phase change heat storage device normally achieves the function of storing and produces energy by experiencing phase and heat exchange through environment of elevated temperature and water with high pressure. In order to analyze the temperature evolution law of molten salt and steam during the endothermic process, and to obtain the influencing factors affecting the endothermic process, the DSG phase change heat storage device was used as the research object, and the phase change material (molten salt) was numerically solved to establish the numerical value. This paper uses computational fluid dynamics CFD numerical simulation software (Fluent) to build up the model and simulate the heat storage process of the heat exchanger, and the relationship curve of the liquid phase volume fraction, phase interface position, molten salt and steam of the phase change material PCM with time is obtained. The results show that the temperature of the molten salt rises rapidly at the beginning of the heat transfer, and when the phase transition temperature reaches, it starts to melt and undergo phase change heat storage, after which the temperature does not fluctuate much; the temperature of the steam fluid is almost unchanged; meanwhile, if the thickness of PCM becomes smaller, then the volume fraction of the liquid phase is larger; the larger the PCM thickness, the slower the liquid phase volume fraction increases.

Key Words: Phase change heat storage; Numerical simulation; Phase-change material; Heat exchanger

目 录

第一章 绪论 1

1.1 相变材料及储热的研究 1

1.1.1 相变材料概述 1

1.1.2 相变储热技术 2

1.2 模拟方法概述 4

第二章 模拟的算法与模型 5

2.1 流体动力学控制方程 5

2.2 凝固和熔化模型 8

2.3 时间离散的显示格式和隐式格式 10

2.4 算法的介绍和对比 12

第三章 模拟过程数据与结果分析 15

3.1 模拟过程 15

3.1.1 建立模型和网格 15

3.1.2 熔化过程云图和温度云图 18

3.2 结果数据及分析 22

第四章 结语 28

4.1 模拟总结 28

4.2 经济性分析 29

参考文献 31

致谢 33

绪论

相变材料及储热的研究

相变材料概述

如果将温度设定维持一致，可以产生潜热的物质被称为相变材料，其物理形态发生改变并且吸收或放出潜热的过程就是相变过程。如今随着能源发展需求增大，相变材料被应用于社会生产和生活的各个角落，目前我国将相变材料作为绿色环保载体列入国家级研发利用序列，旨在推动节能环保^[1]。在一定的温度变化区间内，相变材料的物理形态会发生诸如固-液相变、液-固相变的变化，同时融化和冷却过程中会相对应地吸收或放出潜热。通过释放在特殊条件下保存的能量和将此能量运用到相关领域，相变材料从时间、空间和热量强度上完成了对能量的调节和状态变化，把生产实践中对能量要求和供给紧密匹配起来，既满足了日常生产生活需要，又节约了资源，提高了能量转换的效率^[2]。

相变材料可以被广泛使用在各个不同的产业中，比如建筑、航天、军事等行业，此次毕业设计主要使用储热材料。潜热储热材料、显热储热材料以及化学反应热储热材料都是储热材料的主要类别，其划分根据是针对储热的不同方式。其中业界对显热储热材料的探索和研究开展的时间最早，该材料也是最先被投入使用到日常实践中的。原理是通过材料在温度变化时产生的比热来达到转换能量的目的，优点包括安全的操作、低廉的成本、以及较长的使用寿命。潜热储热材料的应用是基于其发生固态、液态和气态的形态转换时会吸收和放出热量的特性而打造的材料。目前固液相变转化热是应用实践最广泛的一种储热方式，相变储热材料也是取名于其物相转化可存储热量的特性。把显热储热和潜热储热作对比可以得出一个非常大的优点，PCM在储热、放热过程中温差很小，可以方便控制系统的温度。本次毕设也是主要利用PCM的潜热储热来进行模拟 ^[3]。

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