相變蓄熱技術的數值仿真及應用

內容概要

《相變蓄熱技術的數值仿真及應用》是關于空間太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)中相變蓄熱關鍵技術的專著，主要內容來源于編者帶領的研究團隊針對該領域開展長達20多年的系統(tǒng)研究所取得的研究成果，簡要介紹了相變蓄熱技術的發(fā)展過程和典型應用；系統(tǒng)扼要地介紹了空間太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)總體方案、相變蓄熱技術在熱動力發(fā)電系統(tǒng)的關鍵部件吸熱蓄熱器的應用情況和關鍵問題；重點介紹了作者及其研究團隊在高溫相變蓄熱機理研究、相變蓄熱過程的數值仿真研究、相變蓄熱容器的強化傳熱研究、優(yōu)化設計及制造測試、地面相變蓄／放熱試驗、復合相變蓄熱材料的傳熱機理研究及優(yōu)化設計等方面研究內容。

書籍目錄

第一章緒論 1.1相變蓄熱技術概述 1.1.1熱能儲存的方式 1.1.2相變蓄熱技術的發(fā)展過程 1.1.3相變蓄熱材料的分類和選擇 1.2相變蓄熱技術的典型應用 1.2.1相變蓄熱在工業(yè)余熱回收中的應用 1.2.2相變蓄熱在空調、供暖中的應用 1.2.3相變蓄熱在建筑節(jié)能領域的應用 1.2.4相變蓄熱在航天領域的應用 1.3空間太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng) 1.3.1太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)概述 1.3.2吸熱蓄熱器概述及研究進展 1.3.3相變蓄熱過程中空穴影響的研究進展 參考文獻 第二章吸熱蓄熱器方案設計與研究 2.1基本型吸熱器 2.1.1技術指標與參數 2.1.2總體方案設計 2.1.3高溫相變蓄熱容器設計與研究 2.1.4其他主要部件的結構設計 2.1.5吸熱器裝配 2.2熱管式吸熱器 2.2.1技術指標及參數 2.2.2總體方案設計 2.2.3熱管單元管的設計與研究 2.2.4其他部件的研究 2.3組合相變材料吸熱器 2.3.1組合相變材料吸熱器概念的提出 2.3.2組合相變材料吸熱器的方案設計及計算實例 2.3.3組合相變材料吸熱器中的組合PCM選擇 2.3.4采用組合相變材料對吸熱器質量輕量化的意義 參考文獻 第三章高溫相變蓄熱容器的數值仿真與分析 3.1固液相變問題的解法與焓法模型 3.1.1固液相變問題的解法概述 3.1.2焓法模型數學描述 3.2微重力條件下高溫相變蓄熱容器的二維熱分析 3.2.1邊界條件與初始條件 3.2.2PCM空穴模型 3.2.3物理模型 3.2.4控制方程的離散化與求解 3.2.5計算結果分析 3.2.6PCM容器熱應力分析 3.3微重力條件下高溫相變蓄熱容器的三維熱分析 3.3.1物理模型 3.3.2數學模型 3.3.3邊界條件與初始條件 3.3.4PCM空穴模型 3.3.5控制方程的離散化與求解 3.3.6空穴體積變化的計算與處理 3.3.7計算結果分析 3.4重力條件下高溫相變蓄熱容器的熱分析 3.4.1考慮自然對流的數學模型 3.4.2方程的離散化 3.4.3代數方程的求解 3.4.4求解N—S方程的SIMPLE算法 3.4.5對重力條件下相變蓄熱實驗的模擬計算與結果比較 參考文獻 第四章蓄熱單元管的地面實驗研究與熱力學仿真 4.1相變蓄熱容器的研制與實驗研究 4.1.1相變蓄熱容器的設計制造 4.1.2PCM熔化一凝固特性及物性測量實驗 4.1.3PCM容器熱循環(huán)和相容性實驗 4.2蓄熱單元管蓄熱性能地面模擬實驗 4.2.1實驗系統(tǒng)設計 4.2.2實驗方案設計 4.2.3實驗結果分析 4.3蓄熱單元管蓄熱過程數值仿真 4.3.1物理模型 4.3.2蓄熱單元管數學模型 4.3.3離散方程求解 4.3.4計算結果分析 參考文獻 第五章填充泡沫金屬改善相變蓄熱過程的研究 5.1泡沫金屬簡介 5.1.1泡沫金屬的發(fā)展歷史 5.1.2泡沫金屬的分類 5.1.3泡沫金屬的制備方法 5.1.4泡沫金屬的用途 5.2泡沫金屬基CPcM有效熱導率的計算與分析 5.2.1立體骨架式相分布模型 5.2.2泡沫金屬基CPCM傳熱模型 5.2.3有效熱導率的計算式 5.2.4實例計算與校驗 5.2.5結構參數對導熱性能的影響 5.3蓄熱容器填充泡沫鎳的強化傳熱仿真計算 5.3.1新型蓄熱容器的物理模型 5.3.2數學模型 5.3.3邊界條件與初始條件 5.3.4計算結果與對比分析 5.4填充泡沫金屬改善相變蓄熱過程的地面驗證實驗 5.4.1新型蓄熱容器的設計制造 5.4.2地面蓄放熱實驗 5.4.3相變蓄熱容器內空穴分布的分析研究 參考文獻 附錄1方形空腔內空氣的自然對流 附錄2金屬鎵的熔化過程 附錄3氟鹽類高溫固液相變材料選擇一覽表 附錄4高溫合金容器材料選擇一覽表 附錄參考文獻

章節(jié)摘錄

版權頁：   插圖：   第三章 高溫相變蓄熱容器的 數值仿真與分析 高溫相變蓄熱容器（PCM容器）是吸熱器的基本工作單元，因此對PCM容器進行熱分析是PCM容器設計的基礎，通過熱分析可以得到PCM容器內詳細的溫度分布，可以了解容器內各項物理過程對換熱過程的影響，以指導容器設計的改進方向，并為進行熱應力分析提供數據。 PCM容器內的傳熱過程是一種伴隨著相變的傳熱過程。復雜邊界條件、相變界面形狀復雜以及相變過程中可能存在多個相變界面和相變界面的運動是該問題的顯著特點。另外，幾乎所有的氟鹽在凝固時體積發(fā)生收縮，在PCM容器內就會形成空穴。因此，在PCM容器內會有三種相態(tài)存在，即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)（空穴內的PCM蒸氣）。在應用焓法求解相變換熱的計算過程中，把兩相界面看成固液兩相共存的區(qū)域，稱為糊態(tài)區(qū)，則在計算中PCM容器內有四種相態(tài)存在，即固態(tài)、液態(tài)、糊態(tài)和PCM蒸氣。 對于1040K的黑體，80％的輻射能集中在波長為0～6.5μm的范圍內。雖然高度拋光的固態(tài)LiF—CaF2單晶對波長在6.0μm以下的熱輻射的穿透率達95％，但對于PCM容器內多晶結構的固態(tài)LiF—CaF2而言，卻基本上是不透明的，因此固態(tài)PCM內的熱傳遞方式主要是熱傳導。液態(tài)PCM內的熱傳遞方式既包括熱傳導，又有對流換熱。此外，液態(tài)LiF對于波長在6.5μm以下的熱輻射是半透明的。在重力條件下，在液態(tài)區(qū)內的流動中占主導地位的是自然對流，而在微重力條件下自然對流消失，占主導地位的是Ma—rangoni對流。Marangoni力所引起的流體對流與重力引起的自然對流相比要小一個數量級。另外，相變過程中因密度變化引起的PCM體積膨脹和收縮以及空穴內的蒸發(fā)和凝結也會引起液體運動，前者比自然對流的影響小7個數量級，后者引起的液體運動速度在10—4cm／s的量級。LiF—CaF2共晶物的熔點高達1040K，在如此高的溫度下透過空穴的輻射換熱也是不可忽略的。如果空穴被液態(tài)PCM所包圍，則空穴高低溫界面間的蒸發(fā)凝結換熱將與輻射換熱相當。 空穴的產生、分布和移動是PCM容器熱分析過程中的一個難點。氟鹽在固液轉變時密度變化比較大，對于LiF和CaF2來說，從液相轉變?yōu)楣滔鄷r的體積收縮率分別為23％和22％。體積收縮所產生的空穴在PCM容器內如何分布，尚無成熟的理論可以引用。當PCM發(fā)生凝固后，空穴隨著PCM體積的收縮而產生。在空間微重力下，按能量最小原理，空穴在Marangoni力驅動下運動到最高溫度位置，即液一氣表面能最低的位置，并趨向于具有最小的表面一體積比。實際上空穴的最終分布還和鹽的種類、純度、表面張力、液態(tài)PCM對壁面的浸潤以及冷卻速率等很多因素有關。 本章開展了固液相變問題的解法的研究，并以微重力條件及重力條件下PCM容器熱分析的不同實例介紹了PCM容器熱仿真分析的方法和結果分析。

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《相變蓄熱技術的數值仿真及應用》由國防工業(yè)出版社出版。

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