过饱和乙酸钠溶液可控相变特性及其耦合太阳能热水系统的实验与模拟

• 作 者: 余红
• 出 处: 华南理工大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 过饱和乙酸钠溶液 电控成核 可控相变蓄热器 数值模拟 蓄放热特性

随着人类经济的不断发展,人们对能源的需求越来越大,而不可再生能源的存量有限,因此,提高能源的利用率对人类经济的发展具有重要的意义。相变蓄能技术能够解决热能的供给和需求在时间和空间上的不匹配问题,应用相变蓄热装置可对太阳能等可再生能源加以储存以提高能源的利用率。本文主要针对过饱和乙酸钠溶液(SAT)相变材料(PCM)固有的过冷和相分离特点,研究SAT可控结晶成核特性。设计相变蓄热器,建立二维相变蓄热器模型,通过数值模拟的方法研究相变蓄热器的蓄放热特性,为可控相变蓄热器的开发应用提供技术指导。首先,采用差示扫描量热法(DSC)及融冻循环实验对SAT进行热物性分析,研究SAT作为相变材料使用时的过冷及相分离情况。针对SAT的相分离特征,采用添加羧甲基纤维素(CMC)和额外水进行改善。实验结果表明,添加2%的羧甲基纤维素和添加额外水配成质量浓度为55%的SAT溶液,可显著改善相分离现象,但是羧甲基纤维素的加入会一定程度上影响SAT的过冷稳定性。因此本文选用添加额外水的方法,将SAT配制成质量浓度为的55%(纯SAT的盐含量为60.28%)的溶液进行可控成核研究。其次,分析过冷相变溶液电控成核机理,并通过实验研究电极电压对过冷SAT溶液可控成核的影响。实验结果表明,外加电压能够促进过冷SAT溶液迅速结晶成核,所用的电极为经打磨处理并涂覆SAT粉末晶种的纯银电极、镀银电极及铜电极,其中实验结果表明纯银电极触发效果最佳。进一步研究了银电极的尺寸以及外加电压的大小对SAT电控成核的影响,实验结果表明,银电极的最佳使用尺寸为1～2 mm,最佳使用电压为1～1.8 V,此时过冷SAT对电压的响应最快最稳定。最后,根据家用热水器对蓄热水箱蓄热量、体积及用水温度等的要求,设计可控相变蓄热器。建立二维相变蓄热器物理模型,并对模型进行网格无关性和步长独立性验证。通过数值模拟研究蓄放热阶段进口流速、相变材料导热系数以及进口温度对相变蓄热器蓄放热特性的影响。模拟结果表明,在取热阶段,同样的进口水温,如果进口流速减慢,或者相变材料导热系数增加,则出口水温相对增高。