石蜡相变胶囊及其储能墙体传热过程的数值模拟.pdf

摘要 摘要 相变储能技术可以实现木材的“绿色、节能”干燥。相变传热问题属于非线性问 题，可采用数值方法进行求解，有助于深入了解相变过程的细节特征，推动木材干燥 的节能减排。本课题利用热焓法，以石蜡胶囊为研究对象，主要对不同尺度上的相变 胶囊以及纳米Al O 强化传热进行了数值模拟研究，同时也研究了添加相变胶囊的干 2 3 燥窑墙体的传热特性。主要研究内容与结论如下： 首先，构建了石蜡胶囊的熔化传热模型，分析了胶囊粒径、壁面温度等因素对胶 囊熔化传热特性的影响。结果表明减小胶囊粒径、升高壁面温度会减少芯材完全熔化 所需的时间。粒径小于500μm ，芯材中的自然对流可忽略不计。石蜡微胶囊的壁材导 热系数和壳层厚度在一定范围内对芯材的相变过程有一定影响。并拟合得到了芯材完 全熔化时间与粒径、壳层厚度的关系式及其适用范围。 以纳米Al O 为改性剂，根据改性剂的分布形式，建立了两种改性石蜡微胶囊的 2 3 熔化传热模型。探究了改性剂的粒径、数目等因素对石蜡微胶囊熔化传热特性的影响 规律。发现选择导热性高的改性剂可以缩短石蜡完全熔化的时间，且导热系数存在临 界值。增大改性剂的粒径及数目，微胶囊的平均储热速率和芯材液化速率均随之增加。 改性剂分布在壁材中，微胶囊的储热能力最佳。并拟合得到芯材完全熔化时间与改性 剂的粒径、数目的关系式及其适用范围。 建立了相变微胶囊储能墙体传热模型，研究了改性石蜡微胶囊对木材干燥窑墙体 传热的影响，讨论了相变层厚度等因素对相变微胶囊储能墙体传热特性的影响，发现 改性石蜡微胶囊对墙体传热有“削峰移谷”作用。增大相变层厚度和相变潜热，墙体 内节点的温度变化速率减小，提升了墙体的隔热性。相变温度降至325K 时，相变层 厚30mm 的墙体可实现材料利用率最大化。 本课题利用数值模拟方法研究了不同尺度的石蜡胶囊传热，以及石蜡微胶囊的改 性与应用，为石蜡胶囊的优化设计与高效应用提供了理论指导，有助于木材干燥作业 的节能减排。 关键词：石蜡胶囊，传热过程，数值模拟，纳米改性剂，相变微胶囊储能墙体 I 目录 目录 1 绪论 1 1.1 研究背景 1 1.2 国内外研究现状2 1.2.1 相变材料的数值模拟研究现状2 1.2.2 改性相变材料的数值模拟研究现状 3 1.2.3 相变微胶囊的数值模拟研究现状4 1.3 研究目的与意义 5 1.3.1 研究目的 5 1.3.2 研究意义 6 1.4 研究内容与技术路线 6 1.4.1 研究内容 6 1.4.2 技术路线 7 2 相变传热理论及相变材料的选取 8 2.1 相变传热的特点及数学模型 8 2.2 相变传热的求解方法 9 2.3 Fluent 软件简介 10 2.4 相变材料的选择 11 2.4.1 相变材料的分类 11 2.4.2 相变材料的选取原则 12 2.4.3 相变材料的选取 12 2.5 相变胶囊的形态 12 2.6 本章小结 13 3 石蜡胶囊传热过程的数值研究 14 3.1 数理模型 14 3.1.1 物理模型 14 3.1.2 数学模型 15 3.1.3 无量纲变量 15 3.2 边界条件及初始条件 16 3.3 参数设置 16 3.3.1 计算区域网格划分 16 V