蓄热式换热器的仿真模拟与研究

风热机组与相变蓄热联合供暖系统建模与仿真刘恩泽勾昱君钟晓晖孙香宇王朝正刘江涛（华北理工大学，河北唐山063000）随着全球变暖、极端天气的多发以及空气质量的问题，清洁能源利用的研究在全球范围内获得了广泛的关注。

其中风能的利用就获得了越来越多的重视。

风能作为一种可再生能源具有十分广阔的发展空间。

其具有储量大、分布广的特点。

但它的能量密度低，并且不稳定，受天气和季节的影响，具有一定的间歇性。

为了使风能够被更好的利用，将其与蓄热设备相结合才能使风能得到更好的利用。

就目前的热蓄能研究方向来看，主要分为显热蓄热、潜热蓄热技术。

其中潜热蓄热技术得到了广泛的研究，尤其适用于热量供给不连续或供给与需求不协调的工况下。

相变储热系统作为解决能源供应时间与空间矛盾的有效手段，是提高能源利用率的重要途径之一。

相变储热可以分为固-液相变、液-气相变和固-气相变。

然而，其中只有固-液相变具有比较大的实际应用价值。

蓄热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，可用于解决热能供给与需求失配的矛盾，在风能利用、电力“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑和空调的节能等领域具有广泛的应用前景，是世界范围内的研究热点。

本研究将风力致热与相变蓄热装置相结合起来，得到基于不同风速的制热量，将制热量转换为相变蓄热装置入口处的热水温度输入条件参数，采用fluent软件对相变蓄热装置进行数值模拟。

王敬双等人研究了太阳能热水系统中相变蓄热单元特性与优化[1]，建立了相变蓄热单元的物理模型，当用石蜡作为相变材料时，通过数值模拟得到：当蓄热单元半径60mm，热流体温度为373K，入口流速为0.07m/s时为最佳工况。

张瑞等人研究了高导热能力的蓄热装置的传热性能[2],采用均温板与蓄热装置一体化设置，在相变材料中设置了铝隔板，通过实验和数值模拟验证，上述设计增大了石蜡当量的换热系数，使蓄热装置有了更好的储热性能。

C.Gnanavel等人研究了使用相变材料来提高太阳能蒸馏器的生产率[3]，实验使用了三羟甲基乙烷和石蜡C18材料，并且石蜡C18材料的结果从该实验中产生了更高的生产率，并通过数值模拟对实验进行了验证。

新型管壳式相变蓄热器的设计与数值模拟摘要：相变蓄热器是一种高效的储能技术，它可以通过相变储存和释放大量的热量。

在本文中，我们提出了一种新型的管壳式相变蓄热器，该蓄热器利用多管道流道的结构来增加热传递效率，并采用丝网铜网增加相变物质接触面积，提高相变热量密度。

同时，利用数值模拟的方法对新型相变蓄热器进行了研究，优化了其结构参数，得到了最佳工作条件。

关键词：相变蓄热器；管壳式；数值模拟；优化设计1. 引言相变蓄热器是一种通过相变储存和释放大量热量的装置，广泛应用于太阳能、工业制冷等领域。

相比于传统的热储存技术，相变蓄热具有储能密度高、储存稳定、环保等优点。

目前，相变蓄热技术已经成为了研究的热点之一。

在相变蓄热器的设计中，传统的管道式结构存在热传递效率不高、相变物质接触面积小等问题。

因此，我们提出了一种新型的管壳式相变蓄热器，该蓄热器采用多管道流道的结构来增加热传递效率，并采用丝网铜网增加相变物质接触面积，提高相变热量密度。

同时，利用数值模拟的方法进行了研究和优化设计，得到了最佳工作条件。

2. 设计原理新型管壳式相变蓄热器的设计原理如下：(1) 结构设计该相变蓄热器采用了管壳式结构，主要由内部管道、外部壳体和相变物质组成。

同时，内部管道采用了多通道设计，增加了热传递的接触面积，提高了热效率。

(2) 相变材料选择所选用的相变材料应具有相变温度适宜，储能密度高，热稳定性好等特点。

我们采用了己二酸十二醇蜡作为相变材料，其相变温度为59℃，储能密度为170 kJ/kg。

(3) 提高相变热量密度为提高相变热量密度，我们采用了丝网铜网增加相变物质接触面积，提高相变热量密度。

3. 数值模拟为了优化新型管壳式相变蓄热器的设计，我们采用了数值模拟的方法，得到了最佳工作条件。

数值模拟主要包括了相变过程热传递模拟和结构优化设计两个方面。

(1) 相变过程热传递模拟我们采用了FLUENT软件对相变过程进行了热传递模拟。

设置了相变材料的物理性质参数、流道参数、管道参数等，对相变材料的温度、相变前后的热传递系数等进行了计算和分析。

换热站供热系统的建模与仿真研究的开题报告一、选题背景随着经济的快速发展，人们的生活水平不断提高，能源需求量也不断增加。

而随之而来的是各种环保问题的出现，因此如何有效地利用能源，降低能源的消耗和污染，一直是人们关注的焦点。

换热站是热网系统中不可或缺的一部分，它的作用是将集中供热的热水通过管道输送到用户处，为用户提供温暖的热力。

然而，换热站也存在一些问题，如能源的浪费、管道漏损等。

因此，对于换热站供热系统的建模与仿真研究具有现实意义。

二、选题目的本论文旨在通过建立换热站供热系统的数学模型，进行仿真分析，优化系统结构和控制策略，提升系统效率和性能，从而实现能源的节约和减少环境污染的目的。

三、选题内容和方法本论文的研究内容主要包括以下几个方面：1、换热站的基本原理和供热系统的结构分析；2、建立换热站供热系统的数学模型，包括热传递模型、控制模型等；3、通过对模型进行仿真分析，优化系统结构和控制策略；4、在仿真实验的基础上，对系统的实际运行进行优化和改进。

本论文的主要方法包括理论研究、计算机仿真模拟和实际测试等方法。

通过建立数学模型，进行仿真分析，可以直观地了解供热系统的性能和效率等指标，为后续的优化和改进提供参考。

四、论文的预期成果本论文主要目的是对换热站供热系统进行建模和仿真分析，优化系统结构和控制策略，提升系统效率和性能。

预期成果包括：1、建立换热站供热系统的数学模型，包括热传递模型、控制模型等；2、通过对模型进行仿真分析，掌握系统的性能和效率等指标；3、针对仿真结果，优化系统结构和控制策略，提升系统效率和性能；4、实际测试验证仿真结果的可行性和准确性；5、撰写完整的论文，具有比较好的学术水平和实际应用价值。

蓄热材料蓄放热过程数值模拟仿真蓄热材料是一种能将热量储存并在需要时释放的材料。

它通常用于调节室内温度、节能和供热系统中。

在实际应用中，为了更好地设计和优化蓄热材料，进行数值模拟仿真是非常必要的。

一、蓄热材料的热传导过程蓄热材料的热传导过程是影响其储热性能的关键因素之一、数值模拟仿真可以通过求解热传导方程来描述材料内部的热传导过程。

热传导方程可以写成以下形式：∂(ρcT)/∂t=∇(k∇T)+Q其中，ρ为材料的密度，c为热容量，T为材料的温度，t为时间，k 为热导率，Q为外部热源。

数值模拟仿真可以通过离散化上述方程，利用有限差分或有限元方法进行求解。

通过将材料空间离散化成小体积元，并在每个体积元内求解温度，可以得到材料内部的温度分布随时间的变化情况。

这样可以帮助人们更好地理解和优化材料的热传导过程。

二、蓄热材料的相变过程蓄热材料中的相变过程也是蓄放热过程的重要组成部分。

相变过程通常包括材料的凝固和熔化过程。

凝固过程会吸收热量，熔化过程会释放热量。

相变过程的数值模拟仿真需要考虑热量的传递和相变过程的耦合。

在数值模拟中，可以使用相变模型来描述材料的相变过程。

相变模型通常包括热传导方程、质量守恒方程和能量平衡方程。

通过求解这些方程，可以得到相变过程中温度分布、液相和固相的界面位置和相对占有率等信息。

三、蓄热材料的热辐射过程蓄热材料中的热辐射过程是材料放热的主要途径之一、热辐射是指由于温度差异而发生的能量转移过程，它不需要介质来进行热传递。

热辐射过程的数值模拟仿真需要考虑辐射传热的基本原理和辐射传热的表达式。

通常可以使用辐射传热方程来描述蓄热材料的辐射过程。

辐射传热方程可以写成以下形式：Q=εσ(T^4-Tc^4)其中，Q为辐射传热速率，ε为材料的辐射率，σ为斯蒂芬·玻尔兹曼常数，T为材料的温度，Tc为环境温度。

数值模拟仿真可以通过离散化时间和空间，利用差分或有限元方法对辐射传热方程进行求解。

通过求解该方程，可以得到材料的辐射传热速率和温度分布等信息。

一、实习目的本次换热器仿真实习旨在通过虚拟仿真软件，模拟换热器在实际工况下的运行过程，加深对换热器原理、结构、操作等方面的理解，提高实际操作能力。

通过本次实习，使学生掌握以下内容：1. 了解换热器的基本原理和结构；2. 掌握换热器的工作过程及影响因素；3. 熟悉换热器的操作方法及注意事项；4. 培养实际操作能力和安全意识。

二、实习内容1. 换热器基本原理及结构（1）换热器原理：换热器是利用热传递原理，将热量从一种流体传递到另一种流体，使两种流体达到热平衡的设备。

换热器主要有间壁式、混合式和蓄热式三种类型。

（2）换热器结构：换热器主要由壳体、管束、管板、封头、进出口接管等部件组成。

其中，管束是换热器的核心部分，负责热量的传递。

2. 换热器操作及影响因素（1）操作方法：换热器的操作主要包括启动、运行、停止和故障处理等。

① 启动：先开启冷却水系统，确保冷却水温度适宜；然后开启热流体入口阀，逐渐增加流量；最后开启冷流体出口阀，使换热器达到预定的工作温度。

② 运行：在运行过程中，应密切观察换热器的运行参数，如进出口温度、压力、流量等，确保其在安全范围内。

③ 停止：关闭冷流体出口阀，逐渐减少热流体流量，使换热器降至室温；最后关闭冷却水系统。

④ 故障处理：当发现换热器异常时，应立即停机检查，排除故障。

（2）影响因素：换热器的运行效果受到多种因素的影响，主要包括：① 热流体和冷流体的温度差：温度差越大，传热效果越好。

② 流体流速：流速越高，对流传热系数越大，传热效果越好。

③ 换热面积：换热面积越大，传热效果越好。

④ 换热器材质：材质的导热系数越高，传热效果越好。

3. 换热器仿真实习（1）仿真软件介绍：本次实习采用北京欧倍尔换热器单元3D虚拟仿真软件，该软件可模拟真实工段，实现换热器一比一建模。

（2）仿真操作：通过软件，学生可进行以下操作：① 观察换热器内部结构，了解其组成及工作原理；② 模拟换热器启动、运行、停止等过程，观察运行参数的变化；③ 调整换热器操作参数，如温度、流量等，观察其对传热效果的影响；④ 分析换热器故障原因，并提出解决方案。

高温相变储热换热装置仿真建模及分析徐桂芝;胡晓;金翼;杨岑玉;李传;丁玉龙【摘要】相变储热因单位体积储热量大,储热和放热过程温度基本恒定等优点而成为目前研究的热点.相变过程中涉及固液两相间融化和凝固的传热问题,其储放热过程是一个复杂的非稳态相变过程.本文对高温相变储热换热装置进行换热特性研究,通过研究储热单元的换热特性,基于FLUENT软件,结合装置的设计参数和相变复合材料的物性参数,对相变储热系统储/放热过程中内部的温度分布、传热速率和储放热效率进行了数学建模及模拟分析,重点研究了不同传热流体速度对单元储/放热性能的影响规律.根据仿真结果,在相变储热装置的设计中,可选择合适的空气流速,以实现不同的散热功率及储放热时间,满足不同用户的用热需求.物理实验表明仿真结果偏差较小,可为高温相变储换热装置设计、优化等工作提供依据.【期刊名称】《储能科学与技术》【年(卷),期】2019(008)002【总页数】9页(P338-346)【关键词】相变储能;储热装置;数值模拟【作者】徐桂芝;胡晓;金翼;杨岑玉;李传;丁玉龙【作者单位】全球能源互联网研究院有限公司,北京102209;全球能源互联网研究院有限公司,北京102209;全球能源互联网研究院有限公司,北京102209;全球能源互联网研究院有限公司,北京102209;伯明翰大学,英国伯明翰B15 2TT;伯明翰大学,英国伯明翰B15 2TT【正文语种】中文【中图分类】TQ028.8我国风电、光伏等新能源发展迅速，新能源装机总量和发电量已连续多年稳居全球首位。

但受社会用电需求增长放缓等多方面原因影响，新能源消纳能力不足，弃风弃光形势严峻；能源消费结构的不合理，不仅加剧了新能源消纳问题，而且带来了严重的大气污染问题，雾霾天气影响范围持续加大。

储热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术之一。

相变储热因单位体积储热量大，储热和放热过程温度基本恒定等优点而成为目前研究的热点。

针翅管式相变蓄热换热性能的数值模拟的开题报告
一、选题背景
针翅管式相变蓄热器是一种具有良好热传递、高效蓄热能力的换热设备，其应用范围非常广泛，例如在太阳能热水器、热泵系统、工业废热回收等领域中都有广泛应用。

相变材料作为蓄热介质，其相变过程中释放的潜热能够为换热器提供热量，从而实现高效的能量转换。

目前，针翅管式相变蓄热换热器的设计与优化主要依靠实验方法，这种方法不仅费时费力，而且成本较高、效率较低。

因此，采用数值模拟方法对其换热性能进行研究，对于优化设计与工艺有着重要的意义。

二、研究目的
本文旨在通过采用数值模拟方法，对针翅管式相变蓄热器的换热性能进行研究，探究不同参数对其换热性能的影响，并进一步优化设计方案，提高换热器的热传递效率和蓄热性能。

三、研究内容
1. 分析相变材料对换热性能的影响
2. 建立针翅管式相变蓄热器的三维数值模型
3. 采用计算流体力学（CFD）软件对其换热性能进行数值模拟
4. 分析不同工艺参数（如相变材料类型、管道形状、流体流速等）对针翅管式相变蓄热器的换热性能的影响
5. 进一步优化设计方案，提高换热器的热传递效率和蓄热性能
四、研究意义
本文通过采用数值模拟方法对针翅管式相变蓄热换热器的性能进行研究，可以为该设备的优化设计和工艺提供重要参考。

同时，本文的研
究成果可以为推广针翅管式相变蓄热换热器的应用提供支撑，促进环保、节能和可持续发展。