摘 要

为探究辐射传热对汽车尾气相变蓄热单元熔化过程的影响，给蓄热单元的合理设计提供一定的科学依据，在FLUENT 15.0中建立了管壳式环形相变单元的二维模型。在内管壁面温度分别为300℃，400℃，500℃时，计算了纯导热、导热和自然对流、导热和自然对流以及辐射传热三种情形下的熔化过程。

在内管壁面温度为500℃时，观察分析三种情况下的温度云图和液相比云图，判断辐射传热对熔化过程有促进作用。绘出该温度下液相分数随熔化时间的变化曲线，比较在导热和自然对流基础上有无辐射传热两条曲线间的差异，得到辐射传热促进熔化的机制。探究了内壁面温度对辐射传热的影响，定义传热强化因子表征自然对流和辐射传热对加快熔化过程的贡献，结果表明温度越高辐射传热对熔化的促进作用越大且400℃时辐射传热的贡献量不可忽视。处理计算结果得到表征内管壁面与相变材料间换热强度的努塞尔数变化曲线，进一步验证辐射传热促进熔化的机制以及400℃时辐射传热对熔化促进作用显著。本文所得结论对认识和理解辐射传热的影响机理具有一定的指导意义。

关键词：尾气余热回收；相变蓄热；辐射传热

Abstract

In order to explore the influence of radiation heat transfer on the melting process of phase change material in automobile exhaust heat storage unit, and to provide a scientific basis for the rational design of heat storage unit, a two-dimensional numerical model of shell-and-tube phase change unit was established in FLUENT 15.0. At the inner tube’s wall temperature of 300 ℃, 400 ℃, and 500 ℃, the melting process under pure heat conduction, heat conduction and natural convection, heat conduction and natural convection and radiation heat transfer were calculated respectively.

When the wall temperature of the inner tube is 500 °C, the temperature cloud map and the liquid-like cloud map in three cases are observed and analyzed, and the promotion effect of the radiation heat transfer on the melting process is judged. Further, at the same temperature the curve of the liquid fraction as a function of the melting time is plotted, by comparing the difference between the two curves of heat conduction and natural convection and (or no) radiation heat transfer, the mechanism of radiation heat transfer to promote melting is obtained. In order to investigate the effect of inner tube wall temperature on radiation heat transfer, the heat transfer enhancement factor is defined to characterize the contribution of natural convection and radiation heat transfer to the melting process respectively. The results show that the higher the wall temperature, the greater the contribution of radiation heat transfer to melting process. And the contribution of radiation heat transfer at 400 °C cannot be ignored. The calculation results are processed and obtained the Nusselt number variation curve to characterize the heat transfer intensity between the inner tube wall surface and the phase change material, the mechanism of radiation heat transfer to promote melting is further explained. Radiation heat transfer at 400 °C has a significant effect on melting promotion. The conclusions are instructive to understand and study the mechanism of radiation heat transfer.

Key Words：Exhaust heat recovery; phase change heat storage; radiation heat transfer

目 录

摘 要 I

关键词： I

Abstract II

Key Words： II

1 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2相变蓄热的应用 1

1.3国内外研究现状 3

1.4本文研究内容 8

1.4.1主要内容及目标 8

1.4.2方案和措施 8

2 传热模型 10

2.1物理模型 10

2.2数值模型 11

2.2.1 守恒方程 11

2.2.2 设置模型及物性参数 13

2.2.3 模型验证 16

2.2.4 网格无关性检验和时间步长的选取 17

3 结果与讨论 19

3.1温度云图和液相比云图 19

3.2液相比 24

3.3壁面温度的影响 26

3.3.1 传热强化因子 26

3.3.2 努塞尔数 27

3.4本章小结 30

4 总结 32

4.1结论 32

4.2展望 32

参考文献 34

致 谢 37

1 绪论

1.1研究背景及意义

能源和环境问题是全人类一直以来面临的重要问题之一。随着世界经济的快速发展，全球的汽车保有量越来越大。这使得化石燃料的消耗急剧增加，相应给环境带来更多污染。汽车节能减排相关的参数，尤其是对汽车尾气排放方面的要求早已在世界各国相关法规中三申五令。在这个大背景下，汽车中废热的有效利用受到各国学者和企业的高度关注。由于内燃机自身热力循环的限制，燃料燃烧释放出来的能量只有约1/3可以转化为机械能，其余2/3都以热能的形式耗散损失而没有被有效利用^[1]。全球的汽车保有量巨大，车用内燃机产生的废热对环境和能源造成的影响不容忽视，因而高效回收再利用尾气废热已成为汽车节能减排领域的重点研究课题之一。近年来，出现了许多正在研制和实验阶段的汽车废热利用的新技术，其中相变蓄热装置的研究便是其中之一。

汽车尾气余热回收利用是通过余热回收装置将尾气中的热量进行回收变为可用能源，如此可达到变废为宝的目的。由于行驶过程中路况一般情况下特别复杂，汽车的运行工况多变而无规律。行驶过程中发动机负荷也不断变化，导致尾气流量和温度时刻变化，使得尾气所携带的能量提供给余热回收利用装置时具有很大的不稳定性。这限制了现有回收再利用技术如热电发电、有机朗肯循环等的发展和应用。因此，需要一个蓄热装置先将不稳定的废热存储起来，而后才能稳定地利用尾气余热。基于此，有学者提出了一种用于缓冲发动机负荷变化影响的相变蓄热装置（Phase Change Thermal Storage Device, PCTSD）。国内外学者对PCTSD熔化和凝固过程进行了大量的研究。研究表明，极少有研究考虑了辐射的作用，因而目前有关辐射对PCTSD熔化过程的影响还不明确。本文以同心套管式PCTSD为对象，基于Fluent建模仿真，重点探讨辐射传热对PCTSD熔化过程的影响。分别从相变材料（PCM）熔化过程的温度场云图、完全熔化所需时间、努塞尔数随傅立叶数变化曲线等进行分析，得出辐射传热对熔化过程的影响机理。本研究旨在一方面丰富和发展有关熔化传热研究，另一方面为合理设计PCTSD提供一定的科学依据。

1.2相变蓄热的应用

在大力提倡节能与环保的背景之下，能够提高能源利用效率的相变蓄热技术越来越得到世界各国的广泛重视。箱变蓄热技术具有广阔的应用空间以及巨大的利用价值和现实意义。现今其应用主要集中于四个方面即电网移峰填谷、工业余热回收、太阳能利用及太空领域蓄热。

随着经济社会的发展和生活水平的提高，人们对室内环境的舒适度有越来越高的要求。电暖炉、电热水器和空调等大功率电器普及程度的增加使得能源消耗不断增长，这也进一步扩大了区域用电电网高低峰的负荷差。现如今日常生活中电能的昼夜消耗量相差很大，特别是在气候条件相对恶劣的地区主要由家用供暖和空调等电器消耗大量电能以维持室内环境相对外界舒适。一般清晨至午夜为非高峰用电时段，然而发电站的容量设计须迎合高峰用电时段的负荷需求，并在一定程度上保证盈余。为解决此问题，一种利用相变蓄热技术的高效的电力分配方式得以提出。如果通过热的形式将用电高低峰之间相差的能量临时储存起来，在用电低峰蓄能，用电高峰释放能量，使得部分的高峰负荷转移至非高峰负荷，便能更加合理地设计发电厂的发电容量。这类应用较为经济地实现了移峰填谷，且相变蓄热的发电功率缓冲作用也使得发电厂各个机组之间的负荷更加便于调节。这不仅能减少发电厂的能源消耗，缩小发电容量以减少初期投资成本，同时也能充分利用机组的运行效率、提高效益。对于火力发电厂而言，该应用可以达到节能减排之目的，进一步减少对环境的危害。

而在工业生产中，相变蓄热的应用也同样随处可见。余热废热的产生在加工环节中不可避免，由于这些热能释放并不集中，具有分散性，难以通过直接的回收对其加以利用，因此找到有效暂存这些热能并方便在需要时再次利用热能的储热技术就显得尤为关键。凭借成熟的储热技术，企业不仅通过降低能源损耗增加了效益，而且还有效减少了能源转变过程中所产生的有害物质对环境的威胁。相变蓄热技术应用在当前工业生产中最普遍的体现当属再生式加热炉以及废热蓄能锅炉，这些储热装置回收了废热、烟气余热，不仅对节约能源、减少空气污染有重大意义，而且还利于降低冷却和淬火工艺用水量。当前国内外主要将三种类型的蓄热装置应用于工业炉窑——即“蓄热室”、“蓄热箱”和“旋转式蓄热室”，三者的区别在于“蓄热室”孔径大、体积大，“蓄热箱”孔径小、体积小，“旋转式蓄热室”则用于单向燃烧的炉窑。相变蓄热技术对于造纸工业生产中存在的问题也有很好的效果，制浆过程中由于用气负荷不均衡，锅炉适应负荷能力差等原因降低了热效率，锅炉运行效率低下，面对此困境，变压式蒸汽蓄热器便起到了至关重要的作用，它的应用有效提高了负荷的波动，使得工业生产进程大大缩短。类似的还有纺织工业中的漂白与染色工艺，车间采暖系统等工业生产过程，通过蓄热装置，它们都能有效降低负荷波动所致的能耗损失，从而实现节能减排。

太阳能是一种清洁无污染的可再生能源，其资源丰富、取用方便，太阳能利用现已成为热门的研究方向。特别是在我国海拔较高的西北地区太阳辐射作用较强，同时其他类型的能源较为匮乏，太阳能的有效利用便有重大的能源战略意义。由于能量密度低、昼夜交替间歇性的特点，太阳辐射到达地面会受到季节、气候、地理位置等因素的影响，这造成辐射强度随着时间的不断变化。利用相变蓄热技术将太阳能储存在相变材料内，便能实现太阳辐射强度不足或夜间时保持供热、供电装置的不间断运行，以满足生产和日常生活的需求。太阳能蓄热根据蓄放热循环周期的持续时间，一般可分为短期蓄热以及季节性蓄热即长期蓄热；根据蓄热温度的高低又可划分为低温蓄热利用和高温蓄热利用。低温蓄热主要采用结构相对简单的平板型太阳能集热器，蓄热介质通常选取为水、石蜡、无机盐等；高温蓄热系统一般需要高效的塔式太阳能集热器，其蓄热介质对应为相变温度较高的金属或者合金、熔融盐类等。太阳能利用具有广阔应用前景，值得进一步研究和开发。

在太空中的极寒或极热环境使得普通材料无法适应这种恶劣的极端条件，因此需要采用特殊材料对宇航员和航天装置起保护作用。宇航服内添加一定量的嵌入相变材料的智能调温纺织品可以一定程度上帮助宇航员抵御太空中极端的环境条件，保证其出舱活动的安全性和工作效率；相变材料还能确保航天设备在恒温下或一定的温度范围内正常工作，延长其使用寿命；同时覆盖在航天器表面的相变材料也可以吸收空间太阳辐射能，将其转化为维持航天器工作所需的电能。目前太空空间站电能来源主要依靠太阳能热动力发电系统，其具有较高的能量转化效率、使用寿命长、维护费用低，保证了航天设备的稳定运行。

1.3国内外研究现状

追根溯源，蓄热技术早已在古代应用于人们的生活日常、建筑和采暖等领域，但正式应用于工业始于19世纪。蓄热形式按照储存原理分类可分为显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热，本文研究的熔化相变蓄热单元便是潜热蓄热的一种类别。通过查阅相关文献了解和熔化相变过程相关的研究现状，发现目前国内外对熔化相变过程的研究大多仅限于考虑相变材料液相区由于浮力产生的自然对流的作用，部分文献另外考虑了辐射传热的影响。现将已掌握的研究现状作如下阐述。

（1）只考虑了热传导的简单模型研究

陈超等^[2]研究者所建立的二维数值模型尽管只将热传导对矩形腔内相变材料熔化产生的影响纳入考虑范围，但该模型成功通过验证并已在电锅炉空调供暖系统的相关计算与评估方面投入应用，这也证明该模型所具备的较高的工程实用性。潘胜和史金鑫^[3]对和本研究对象相似的管壳式换热器进行了只考虑热传导下的数值模拟，使用FLUENT软件对流场的压力、速度、温度进行迭代计算。之后他们分析迭代计算的结果，针对影响流场参数变化的相关因素提出了一些结论。在吴斌和邢玉明^[4]针对高温烟气废热回收系统的研究中，忽略自然对流的影响，对适用于高温烟气废热回收系统的管壳式相变蓄热单元建立二维模型，对比在相变材料60号石蜡中组合多孔筛网前后的温度场变化，从而发现多孔筛网对传热过程有一定的强化作用。同时，该研究还选择石蜡P116、硬脂酸、软脂酸和铝制多孔环形筛网组成蓄热介质体，从熔化率、热水出口温度两方面探究三种情形对相变蓄热单元的释热特性，比较分析得到了软脂酸能够很好的满足废热回收系统的要求的结论，给有关的工程设计提供了一定参考。

（2）考虑了热传导和自然对流的相关研究

在实验研究方面，杨佳霖等^[5]以管壳式相变蓄热单元为对象，搭建可视化相界面演化进程实验平台,对比分别采用纯石蜡和铜-石蜡复合相变材料两种情况下的温度场变化。结果表明，加入泡沫金属后，复合材料的内部温差明显减小，温度分布均匀，蓄热热通量显著增大，使相变时间有效缩短并使自然对流造成的顶部过热和底部不熔化现象得到一定程度缓解。Sun等^[6]提出了一种量化并测量自然对流对换热速率的增强程度的实验方法。为此，定义表征参数传热强化系数和有效换热系数，得出结果是垂直传热和水平传热的有效换热系数分别提高12%和30%；自然对流的存在使垂直传热的完全熔化所需时间减少约45%。而将实验和数值计算相结合则更能体现研究的说服力，Hosseini等^[7]研究了管壳式相变蓄热器内相变材料在熔化过程中由浮升力产生的自然对流对熔化的影响。通过一系列的实验探讨换热流体入口温度的提高对相变材料熔化蓄热过程的影响。实验结果表明，熔体前沿在不同时刻出现在靠近传热流体管道的不同位置，并以不同的速度向壳层外推进。计算结果表明，当入口水温从70℃提高到80℃时，总熔化时间减少37%。同时也通过计算发现蓄热器中相变材料的上半部分熔化液相和下半部分之间所发生的明显的热分层现象。

在数值研究方面，很多学者从不同的方向探究自然对流现象对相变过程的影响：

首先，相关文献对有无自然对流两种情况进行对比研究。王哲斌等^[8]对一种圆环形柱体石蜡相变蓄热材料分别建立了忽略液相自然对流和考虑液相自然对流相变过程的二维数学模型。采用FLUENT软件对其熔化蓄热过程进行了数值模拟。结果表明环形区域内石蜡熔化开始阶段传热以导热为主，自然对流随着熔化不断进行逐渐起主导作用并加快了熔化速率；当石蜡材料厚度大于40 mm，熔化过程中液相中自然对流作用对熔化过程有较大的影响。Seddegh等^[9]研究者则建立了垂直圆柱管壳式潜热能量储能（LHTES）单元的纯热传导模型和热传导-对流传热组合模型两种数值模型，之后研究者们分别利用这两个模型分析填充在环形区域内的相变材料石蜡的蓄放热过程和传热特性，发现热传导-对流传热组合模型可以更好地描述熔化过程中石蜡内部的能量传递状况。相反，在凝固过程中由于导热这种换热模式起着更为主要的作用，从凝固时间来看，两种模型在相同条件下显示出很小的差异。Fornarelli等^[10]对用于聚光太阳能发电（CSP）设备的竖直放置管壳式潜热储存单元进行了数值模拟计算，对比有无考虑自然对流时，两者沿高度方向的热流量、蓄热量百分比随时间的变化。结果表明，自然对流的存在增大了热流量，减少了约30％熔化蓄热时间。

其次，运行参数设置的不同比如热流体的流速，温度等也会影响到换热过程的效率。菅鲁京等^[11]在相变材料熔化过程中自然对流影响作用研究的基础上，进一步对相变材料在方腔内熔化过程中液相区自然对流振荡现象进行了研究，得到如下结论：当瑞利数（Ra）较小时，液相自然对流具有稳定解，随着Ra数增大，自然对流从稳定流动向周期振荡过渡。张云婷等^[12]利用焓法建立了壳管式相变蓄热装置的数学模型。模拟石蜡熔化的相变过程，分析相变界面的变化规律和不同运行参数下的温度场的变化情况，从而得出热流体的温度对相变过程起主要作用，而热流体的流速对其的影响则相对较小的推论，这对壳管式相变蓄热的计算和相变蓄热装置的设计具有一定的参考价值。

而对于如何提高相变蓄热单元的传热性能这一难题，研究者们尝试通过合理设置几何运行参数达到结构上的优化。陈宇^[13]考虑了石蜡体积变化和液相区域的自然对流，建立水平圆管内石蜡熔化相变过程简化的二维模型，在此基础上讨论圆管壁温、过冷度、内管位置以及内管直径等各因素对管壳式换热单元的热物性参数影响。进一步地，研究者结合构型定律，改变内外层换热单元中外层单元个数n以及直径比r对得到的16组不同排布进行比较分析，提出一种“改进的”管壳换热单元结构。龙伟月^[14]利用FLUENT建立了月桂酸方腔蓄热单元熔化相变过程的二维简化数值模型，对方腔蓄热单元采用正交试验法探究相变储能单元换热温差、高宽比、倾角及其交互作用对单元传热的影响程度，得到各单因素对熔化速率影响由大到小依次为：换热温差gt;倾角gt;高宽比。进行了基于强化传热的偏心优化设置，得到内环加热的环形单元设置向下偏心率70%时为最优方案。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：