论文总字数：24558字

摘 要

随着化石能源的不断消耗，人们对于太阳能热利用越来越有兴趣，太阳能也在人类能源结构中占据着越来越重要的作用。太阳能固有的不稳定、不连续的问题一直限制着太阳能的利用，而储能是解决这一问题的有效方法之一。储能装置是太阳能热利用系统的核心，其性能直接关乎整个系统的可靠性。因此有必要研究储能装置，为改善太阳能利用情况打好基础。在诸多储能方式中，相变储能技术前景广阔、蓄热效果好、过程易控制，得到了十分广泛的关注。本文为了研究相变储能技术，首先从常见的相变储热材料中进行比较选择，最终选取石蜡作为装置的储能材料。接着结合国内外一些文献的研究，建立了一个同心管束式的相变储热模型。为了加快计算时间，对该模型进行简化，得到了半个同心套管的数学模型。利用FLUENT中的Solidification/Melting模块模拟该相变储热装置的储热过程。得到了不同时刻该模型的温度场分布以及液相分数分布，并绘制了石蜡的平均温度和平均液相分数随时间变化的曲线，分析了熔化的某些规律。然后本文通过改变传热流体入口温度和流量，探究这两个因素对相变储热装置传热性能的影响，比较了不同入口温度、流量下的熔化情况，最终发现入口温度的影响大于流量的影响。

本文的研究成果，可以给相关相变储热装置的实验和设计提供参考，减少财力人力的浪费。

关键词：相变储能，数值模拟，石蜡，传热强化

Abstract

With the continuous consumption of fossil energy, people are increasingly interested in solar thermal utilization, and solar energy is also playing an increasingly important role in the human energy structure. The inherent instability and discontinuity of solar energy always limit the utilization of solar energy, and energy storage is one of the effective methods to solve this problem. The energy storage system is the core of solar thermal system whose performance will directly affect the security of the system. Therefore, it is necessary to research the energy storage device to lay a foundation for improving the application of solar power. Among the various energy storage methods, the phase-change energy storage technology has broad prospects and good heat storage effect, which brings widely concerned. In order to study the phase-change energy storage technology, the author selected paraffin as PCM from common phase-change heat storage materials. Then, after considering some literature for reference we established the shell-tubes phase change thermal storage device. Then, the device was simplified to be a shell-tube unit with PCM. The melting process of paraffin was numerically simulated by using Solidification/Melting model of FLUENT software. Temperature field and liquid fraction field is obtained, and the average temperature and liquid rate of paraffin changing with time is also calculated. And then some laws of melting were analyzed. In addition，the author also analyzed the effect on the heat transfer fluid inlet flow and inlet temperature during paraffin’s melting process. After comparing the results of changing inlet temperature and flow, the author found that the heat transfer fluid inlet temperature has a greater influence than its flow.

The research results of this paper can provide reference for the experiment and design of relevant phase change heat storage device reducing the waste of financial and human resources.

Keywords: Phase change energy storage, numerical simulation, paraffin, heat transfer enhancement

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 热能储存的几种方式 2

1.2.1 显热储热 2

1.2.2 潜热储热 2

1.2.3 化学反应储热 3

1.3 国内外研究现状 3

1.3.1 国内外对于相变材料的研究状况 3

1.3.2 国内外对于相变装置的研究状况 4

1.3.3 储热技术的新发展 5

1.4 本课题的研究内容和方法 6

1.4.1 研究内容 6

1.4.2 研究方法 6

1.5 小结 7

第二章 相变材料的选择及石蜡的物理性质 8

2.1 常见的中低温相变材料 8

2.1.1无机盐水合物类 8

2.1.2有机化合物类 9

2.2选择原则及比较 10

2.3 石蜡的主要性质 10

2.4 小结 11

第三章 储热模型及模拟方法介绍 12

3.1 储热模型介绍 12

3.2 相变传热问题的描述和求解 13

3.2.1 相变传热的数学模型 13

3.2.2 相变传热问题的数值解 14

3.2.3 FLUENT介绍 15

3.3 小结 16

第四章 储能装置的模拟 17

4.1数学模型的建立 17

4.2边界条件设置 18

4.3模拟结果及分析 19

4.4 小结 23

第五章 相变传热过程的影响因素 24

5.1 入口温度的影响 24

5.2 传热流体流量的影响 28

5.3 小结 32

第六章 结论与展望 33

6.1 研究结论 33

6.2 研究展望 33

参考文献： 35

致 谢 37

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

能源是国家赖以生存的基础，是推动经济社会发展、人民生活水平不断提高的保证。过去数百年来，人们大量利用化石燃料，并借此机会飞速发展，科学技术突飞猛进、人类文明日新月异。然而，人们在享受消耗能源带来的飞速发展的同时，也面临着严峻的环境污染之类的问题。进入21世纪以来，人类面对的最大难题就是不可再生资源的日益减少和环境污染的日益加剧。与此同时，人口的增加、经济的发展，使得我们对于能源的需求量也在不断增加。种种因素影响下，能源供需矛盾十分严重。

为了解决这种供需矛盾，各个国家相继制定政策调整能源战略。主要有以下两方面：（1）提高不可再生能源的利用效率，减少环境污染。（2）大力发展可再生能源。前者能在一定程度上缓和能源的供需矛盾，而后者才是解决问题的核心。太阳能是可再生资源中十分重要的一种。开发利用太阳能，对于节约常规能源、保护自然环境、减缓气候变化等，都具有及其重大的意义^[1]。

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