摘要
为了响应国家提出的“碳达峰，碳中和”战略目标，在节能减排领域，针对工业余热在供给侧与需求侧存在时间和空间不匹配的问题，结合相变储热技术，设计了一种以工业余热为主要热源的移动式相变储热系统，并对系统中的相变储热模块进行强化换热研究。 以系统中的相变储热模块作为主要研究对象，首先对实际物理模型进行化简并建立数学模型，随后利用Fluent软件对其进行模拟研究。研究内容主要包括:导热管管径、导热流体入口流速以及导热流体入口温度对材料相变换热过程的影响;添加环形肋片进行强化换热，肋片长度、间距以及厚度对材料相变换热过程的影响;采用横纹管进行强化换热，横纹管槽深与节距对材料相变换热过程的影响;环形肋片与横纹管组合对材料相变换热过程的影响。结果表明: 随着导热管的管径增大，相变材料完全熔化时间与完全凝固时间均逐渐缩短，但模型内相变材料体积减小，储热量会减少，导热管的管径应为12mm;随着入口流速增大，相变材料完全熔化时间与完全凝固时间均逐渐缩短，且在流速达到一定值后，继续增加流速对材料熔化与凝固速度提升效果不再明显;储热时，入口温度升高，相变材料完全熔化时间缩短，且对材料熔化速度提升效果逐渐减弱;放热时，入口温度下降，相变材料完全凝固时间缩短，且对材料凝固速度提升效果逐渐减弱。 随着环形肋片的长度增加，相变材料完全熔化时间与完全凝固时间均逐渐缩短，且强化效果逐渐减弱。在控制总换热面积时，环形肋片长度增加，相变材料完全熔化时间与完全凝固时间均呈现出先下降后上升的趋势，肋片最佳长度为9mm;随着环形肋片间距增大，相变材料完全熔化时间与完全凝固时间均逐渐增加。在控制总换热面积时，肋片分布越均匀，相变材料完全熔化时间与完全凝固时间越短;环形肋片的厚度相比于长度与间距对材料熔化与凝固速度的提升效果并不显著。 横纹管的Nu数与阻力系数均大于光管，说明横纹管的管内流动换热性能优于光管，且凹槽越深或节距越小，横纹管的管内流动换热性能越强;随着横纹管凹槽深度增加，相变材料完全熔化时间与完全凝固时间缩短;随着横纹管节距减小，相变材料完全熔化时间与完全凝固时间缩短。 比较光管、肋片管、横纹管以及组合结构对材料相变换热过程的影响，发现添加环形肋片带来的强化效果优于采用横纹管的强化效果，且组合结构对相变材料熔化与凝固速度提升效果最好;对实际相变储热模块进行模拟，发现组合结构相对于光管结构至少可以缩短材料24.0％的熔化与凝固时间。
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