保温层厚度对蓄冷设备中蓄冷效果的影响分析

论文题目：保温层厚度对蓄冷设备中蓄冷效果的影响分析摘要本文针对现有相变蓄冷装置大容量、高参数、负荷低、效率差等的缺点，以相变蓄冷装置低成本、高效率为指标，利用蓄冷相变材料和载冷流体在蓄冷装置内进行换热，发明出了一种多管束蓄冷相变材料装置，该装置的发明使深冷液化空气储能系统能够在理想情况下高效、经济的运行。多管束蓄冷相变材料装置目前只是存留在理论条件下，为了能够验证其在市场中大规模投入使用，本文首先利用ANSYSICEMCFD软件的建模功能，在理论的基础上建立了实体模型；其次，在CFD的环境下对模型进行了网格的划分，设置网格尺寸；最后，将网格化后的模型，导入到FLUENT仿真界面，引入载冷空气和固体石蜡蓄冷相变材料进行蓄冷过程的数值化模拟。本文主要对蓄冷装置的保温层进行实验研究，通过对保温层材料的选择，改变保温层的厚度，来验证保温层的厚度对于蓄冷装置的蓄冷特性有影响。保温层材料选择膨胀聚苯乙烯，厚度分别设为20mm、30mm、40mm、60mm等，得出温度场图，通过对温度场图的分析，得出保温层的厚度对于蓄冷装置的蓄冷特性有很大的影响，太薄，会造成冷能的损失；太厚，保温性很好，但是提高了经济成本，增大了蓄冷装置的体积，因此，保温层厚度存在一个最佳的取值范围。研究表明，保温层最佳的取值范围是120mm-150mm。关键词：蓄冷装置；CFD建模；网格划分；数值分析；保温层论文类型：应用研究目录1绪论 51.1课题研究的来源及意义 51.2国内外深冷液化空气储能的发展现状 61.2.1世界对深冷液化空气储能的发展现状 61.2.2国内对深冷液化空气储能的发展现状 61.3蓄冷装置的发展现状 71.4本文主要研究内容 72蓄冷装置模型的设计 82.1拟建实体模型 82.2对蓄冷装置各个部分的概述 92.3蓄冷装置的特性 122.4蓄冷装置的工作原理 123蓄冷装置网格划分及保温层材料的选择 153.1认识ANSYS 153.1.1ANSYSICEMCFD简介 153.1.2FLUENT求解器的简介 163.2对模型进行网格划分 163.2.1初步网格划分 163.2.2检查网格质量 203.3建立数学模型 223.3.1假设理想状态 223.3.2控制方程 223.4蓄冷装置保温层材料的选择 233.5保温层材料热流密度的计算 244保温层厚度的有限元仿真分析 264.1初始条件 264.2改变蓄冷装置保温层厚度前处理 264.3改变蓄冷装置保温层厚度后处理 334.4改变保温层厚度的仿真分析 385总结与展望 435.1总结 435.2展望 43致谢 45参考文献 47声明1绪论1.1课题研究的来源及意义能源从古至今都是人类生存发展的重要组成部分。随着社会的发展、进步，能源问题一直是全世界共同关注的话题，人们对于能源过分的开发和利用，致使能源出现供不应求的现状，能源并不是取之不尽用之不竭的，对此，世界上各国都在采取各种各样的技术来实现对于新能源的开发和高效、清洁利用。风能作为当下储存量特别大、可再生的清洁新型能源之一，如果能将它高效的利用，将会解决巨大的能源和环境污染问题。目前，世界上对于风能最常见的利用方式是风力发电。风力发电相较于其他通过化石燃料燃烧来发电的技术来说，仍然存在着许多的问题。风能虽然在自然界的储量很巨大，但是它会受到天气的影响，具有随机性、间歇性和不可调度性，导致其发出的电具有较大的电压波动、闪变和电力电子元件等产生的不可忽略的谐波。因此，风力发电发出的电，其电能质量很差，再加上其发电的不稳定性，造成风电不能持续输电，尤其是在用电高峰期，利用风能所发的电很微弱，对于风电并网产生了巨大的问题。为解决这个问题，科学家们研究提出了将风力较大时所产生的富余电能以其他能量的方式储存起来，在用电高峰期，将这些储存起来的能量转化成电能，与风力发的有限电能混合，达到并网所需的负荷，并入电网中，解决风力发电并网的难题，储能技术应用而生。世界上已经研究出了许多种储能技术，各种储能技术各自的特点如下表所示：表1-1储能方式的特性储能方式 储能密度Wh/L 效率% 规模MW 寿命年 安全性 建设资本元/KWh抽水蓄能 0.5~1.5 70~85 100~1000 40~60 比较高 200~1000压缩空气 1.8~6 40~70 1~300 20~40 比较高 300~2000铅蓄电池 30~100 70~75 1 3~5 比较好 1000~2000锂离子电池 100~200 80~86 0.5~20 8~10 比较好 2000~5000液流电池 20~70 70~80 0.5~10 8~10 比较好 5000~8000钠硫电池 150~300 75~85 0.5~30 8~10 普通 1500~3000由上表可以看出，抽水蓄能和压缩空气储能，这两种储能技术，从规模、寿命、安全性和建设资本上，都较其他几种储能方式要好很多，特别适用于像风力发电这种大规模储能系统的使用。抽水蓄能对于地理环境的牵制比较大，需要大量的水资源，在使用时不方便。目前，比较常用的技术是压缩空气储能技术。压缩空气储能技术在传统的技术设施上进行了一定的改良，发展为现在的深冷液化空气储能技术，此技术改掉了传统储能技术对于化石燃料依赖、地理条件的约束等缺点，转换能量所用的介质是到处弥漫的空气，采集容易且大大降低了运行经济成本。深冷液化空气储能技术在电能的储存、输送等领域具有低成本、高效率的优点，相信随着电力行业的发展，将扮演着重要的角色。1.2国内外深冷液化空气储能的发展现状1.2.1世界对深冷液化空气储能的发展现状早在1977年，史密斯就提出了膨胀和绝热压缩空气的装置，当时此装置就已经达到了极高的能量回收效率，其效率为70%。为了达到这么高的效率，史密斯设计了一种能够承受最低温度为-200℃，最高为800℃，同时能够在10000Pa压力环境下进行蓄能的装置。Ameel等人为了能够使史密斯设计的蓄能装置在常压容器内就可以实现对能量的交换、储存，对空气液化过程进行了深入的探讨，提出了新的克劳德循环和林德循环，而在大规模蓄能系统中，克劳德循环比林德循环更为有效[1]。液态空气储能系统最早是在2007年，由工程热物理所、英国高瞻公司和利兹大学等组成的研发团队所开发出的一项技术，英国HighviewPowerStorage公司利用该技术，生产出额定功率为500KW，储存容量为2MWh的液化空气储能设备，在伦敦地区已经成功示范运行了。自2011年以来，Highview公司的LAES技术已经被苏格兰南方能源公司（SSE）应用于其80MW生物质热电联厂的350kW/2.5MWh液化空气储能系统中。在2012年末HighviewPowerStorage公司在苏格兰建造了一个3500kW的商用系统，并在2014年初建成了8000～10000kW的储能发电站。2014年2月，在英国能源与气候变化部（DECC）的800万英镑的资助下，Viridor公司选择Highview公司设计并建立了一个5MW/15MWh商用示范的液化空气储能示范工厂。该液化空气储能工厂建造在Viridor公司的垃圾填埋燃气发电厂里。在2015年春，英国HighviewPowerStorage公司首次以商业规模的形式来示范LAES技术的应用，LAES设施将由GE公司的涡轮发电机提供动力[2]。1.2.2国内对深冷液化空气储能的发展现状目前，我国仍然进行着对于深冷液化空气储能技术的研发、安装、调试过程，该项技术牵涉着多种专业领域，整个储能生产链是一个复杂而多变的系统，其中就包括着空气的压缩、制冷、液化、气化、膨胀等热力问题，为了每一个热力过程都能高效率的运行，就必须通过大量的数据观测点、控制点、调控点，各个部分之间的关联比较的紧密，其中不乏缺乏着不可消除的设备误差等，这些都在一定程度上影响着深冷液化空气储能技术在我国的成熟发展和普遍应用。深冷液化空气储能的作用体现在提升电力系统调峰能力与消纳弃风电，与我国提倡的低碳能源、可持续发展战略相吻合，无容置疑其发展前景是十分广阔的。大规模能量型深冷液化空气储能技术，可用于提升某一区域内电网的调峰能力，对于规模化接纳新能源电力，在很大程度对于弃风限电的现象有一定的减弱。1.3蓄冷装置的发展现状随着蓄冷技术的兴起，各行业对于蓄冷技术的需求越来越大，针对各行业不同需求，需要设计出不同的蓄冷装置，目前主要的蓄冷装置有盘管式蓄冷装置、封装式蓄冷装置、冰片滑落式蓄冷装置和冰晶式蓄冷装置等[3]，对于相变材料蓄冷装置这一方向，技术还不够的成熟，在此背景下，本文针对液化空气储能系统，发明了适用于100K-400K温度范围内运行的相变材料蓄冷装置。本文所述蓄冷装置，主要应用于深冷液化空气储能的子系统中，分为两个阶段，一个是储能阶段，另一个是释能阶段。储能阶段，将气体状态的高温高压空气，通过蓄冷装置，与蓄冷装置内储存的冷能，进行换热，得到液体状态的空气；释能阶段，是将低温低压的液化空气，以2m/s速度，从蓄冷装置中流过，蓄冷装置利用蓄冷相变材料重新将冷能储存起来，在蓄冷装置中做完功的空气，输送至膨胀发电子系统进行膨胀发电。1.4本文主要研究内容对于传统蓄冷装置存在很大的缺点，在实际的生产运行中，造成能源的极大损耗、环境的污染问题，严重制约了深冷液化空气储能技术在大范围内的推广使用，基于以上问题，在前人理论的基础上，本文发明了相变材料蓄冷装置，并搭建了理论模型，进行数值模拟分析，具体研究内容如下：（1）概述国内外对于深冷液化空气储能技术的发展现状及储冷罐在深冷液化空气储能系统中的应用。（2）发明了一种用于深冷液化空气储能系统的蓄冷装置。本文针对深冷液化空气储能系统的工作原理，并结合热力学所掌握的知识，设计了深冷液化空气储能子系统在释能阶段所必须的蓄冷装置模型。该模型包括壳体、端盖、中心肋片和管束。（3）利用ANSYS软件及基于ANSYS软件对蓄冷装置的设计过程本文首先针对于ANSYSICEMCFD软件进行模型的创建，通过自主学习和结合大学所学的传热学知识，创造性的创建了此蓄冷罐模型，紧接着利用CFD网格化功能，对模型进行修改及网格划分，最后利用FLUENT对蓄冷罐进行自然对流仿真，得到动态温度分布图，对其进行分析。（4）基于ANSYSFLUENT仿真软件结果进行分析本文所涉及的领域为保温层厚度对蓄冷罐蓄冷效果的影响，通过不断地改变保温层的厚度，得到不同的动态温度分布特性图，来确定最佳的保温层厚度。2蓄冷装置模型的设计2.1拟建实体模型本文为了能够得出较为准确的结果，采用整体法对课题进行研究。为了深入了解多管束蓄冷相变材料装置的传热效果，在ANSYSICEMCFD环境下建立了该多管束蓄冷相变材料装置的三维模型，本蓄冷装置是一种多管束蓄冷相变材料装置，其包括壳体、端盖、中心肋片和管束，壳体为圆筒状，壳体的两端分别可拆卸连接有一个端盖，各中心肋片的第一侧边固定于壳体的内侧壁上，相邻的两个中心肋片的第二侧边固定连接，相邻的两个中心肋片之间形成一个扇形区，各扇形区内设置有一个管束，管束固定于两个端盖上，且管束的两端均与外界连通，管束包括一个中心圆管、多个周边圆管和多个连接肋片，一个周边圆管通过一个连接肋片与中心圆管固定连接，管束用于承载载冷流体，壳体与管束之间用于填充相变蓄冷介质。该装置极大的提高了蓄冷效果，达到小容量高效率的目标，提高蓄冷装置的有效利用率，降低制冷系统的装机容量，其实体结构如图2-1所示。图2-1三维实体模型多管束蓄冷相变材料装置主要由铸铁制成，中心肋片与保温层内壁焊接在一起，构成蓄冷装置的内部框架，中心肋片将蓄冷装置分割成四个部分，其中每一部分构成一个小的系统，每个系统是由七根碳钢制成的小圆管及连接七根小圆管的直肋片组成，小圆管及直肋片通过焊接在蓄冷装置两端的端盖而固定位置的。蓄冷装置的详细尺寸：（1）整体结构如图4所示为圆柱体：直径为460mm、高380mm。（2）内部小圆管直径20mm，高420mm，共有四部分，每部分由七根管子组成，周围管子与中心管子的距离为15mm。（3）中心管子垂直与水平距离200mm（管子中流过载冷流体）。（4） 保温层外壁直径为480mm，也就是说保温层厚度为40mm。2.2对蓄冷装置各个部分的概述（1）蓄冷装置壳体的保温层为了能够给相变蓄冷介质和空气对流换热时提供必须的反应场所，蓄冷罐中的整个蓄冷系统与外界分隔开，从而避免外界环境的干扰，本文在蓄冷罐外部覆盖有40mm的保温层。图2-2保温层结构（2）蓄冷装置载冷流体传输通道中心圆管和周边圆管的轴向方向与壳体的轴向方向一致。中心圆管的两端分别穿过两个端盖伸至外部，周边圆管的两端分别穿过两个端盖伸至外部，雪花状肋片的长度与壳体的长度相同。各雪花状肋片肋片与中心圆管连接的侧边均与壳体的中心轴线平行，载冷流体在圆管进口处以2m/s的速度流入，在圆管内部与蓄冷相变材料发生一系列反应之后，从圆管出口处流出，载冷流体整个过程都在圆管内进行。图2-3圆管束（3）蓄冷装置的肋片中心肋片，它处于整个蓄冷装置的中心位置，将整个蓄冷罐内部分为四个区域，每个区域都由相同的构造组成，将蓄冷罐整个大的系统，分为四个小的系统，每个系统都相互关联在一起，能够对载冷流体和蓄冷相变材料的换热过程起到强化的作用。图2-4中心肋片雪花状肋片，它用于连接中心圆管与其它六根圆管，使得圆管成为一个整体固定在蓄冷装置内部。图2-5雪花状肋片根据肋片传热的特点，等截面直肋片在表面上传播热量其方向是不断变化的，其表面不仅有对流传热，而且存在辐射传热，从而肋片增大了蓄冷装置在换热过程的表面积，极大的提高了表面传热系数，起到了一定积极的传热效果。（4）蓄冷装置的端盖为了使相变材料在蓄冷罐内部填充，使其在固定的区域内流动，本文采用给蓄冷装置加上下端盖，这样不仅可以为蓄冷相变材料提供必要的反应场所，而且可以固定四组圆管束，使其不易在蓄冷罐中随意改变位置，对蓄冷装置进行实际操作时带来不便。图2-6模型端盖蓄冷相变材料填充于圆管、雪花状、保温层内壁的空腔部分。蓄冷相变材料与小圆管中流通的载冷流体进行着能量的交换，相变蓄冷材料吸收载流流体的冷能，将其自身的热量传递给载流流体，载冷流体温度升高，蓄冷相变材料通过相变潜热将所吸收的冷能储存了起来。2.3蓄冷装置的特性一种多管束蓄冷相变材料装置，其主要特点在于，包括壳体、两个端盖、多个中心肋片和多个管束，壳体为圆筒状，壳体的两端分别可拆卸连接有一个端盖，各中心肋片包括两个平行的第一侧边和第二侧边，各中心肋片的所述第一侧边固定于壳体的内侧壁上，且第一侧边与壳体的中心轴线平行，相邻的两个中心肋片的第二侧边固定连接，相邻的两个中心肋片之间形成一个扇形区，各扇形区内设置有一个管束，管束固定于两个端盖上，且管束的两端均与外界连通，管束包括一个中心圆管、多个周边圆管和多个连接肋片，多个周边圆管分布于中心圆管的周边，一个周边圆管通过一个连接肋片与中心圆管固定连接，中心圆管和周边圆管用于承载载冷流体，壳体与管束之间用于填充相变蓄冷介质。（1）多管束蓄冷相变材料装置，其特点在于，中心圆管和周边圆管的轴向方向与壳体的轴向方向一致。（2）多管束蓄冷相变材料装置，其特点在于，中心圆管的两端分别穿过两个端盖伸至外部，周边圆管的两端分别穿过两个所述端盖伸至外部，连接肋片的长度与壳体的长度相同。（3）多管束蓄冷相变材料装置，其特点在于，多个周边圆管沿周向均匀分布于中心圆管外部。（4）多管束蓄冷相变材料装置，其特点在于，各连接肋片与中心圆管连接的侧边均与壳体的中心轴线平行。（5）多管束蓄冷相变材料装置，其特点在于，壳体外覆盖有保温层。（6）多管束蓄冷相变材料装置，其特点在于，中心肋片的长度与壳体的长度相同。（7）多管束蓄冷相变材料装置，其特点在于，各中心肋片的第二侧边交汇于壳体的中心轴线处。（8）多管束蓄冷相变材料装置，其特点在于，任意两个相邻的中心肋片的夹角相同。2.4蓄冷装置的工作原理本文的目的是提供一种多管束蓄冷相变材料装置，极大的提高了蓄冷效果，达到小容量高效率的目标，提高蓄冷装置的有效利用率，降低制冷系统的装机容量。图2-7蓄冷装置示意图如图2-7所示，本文提供一种多管束蓄冷相变材料装置，包括壳体1、两个端盖、多个中心肋片2和多个管束3，壳体1为圆筒状，壳体1的两端分别可拆卸连接有一个端盖，具体地，端盖与壳体1通过卡接方式连接。各中心肋片2包括两个平行的第一侧边和第二侧边，各中心肋片2的第一侧边固定于壳体1的内侧壁上，且第一侧边与壳体1的中心轴线平行，相邻的两个中心肋片2的第二侧边固定连接，相邻的两个中心肋片2之间形成一个扇形区4，每个扇形区4构成一个单独的系统，各扇形区4内设置有一个管束3，管束3固定于两个端盖上，且管束3的两端均与外界连通，管束3包括一个中心圆管31、多个周边圆管32和多个连接肋片33，多个周边圆管32分布于中心圆管31的周边，一个周边圆管32通过一个连接肋片33与中心圆管31固定连接，中心圆管31和周边圆管32用于承载载冷流体，壳体1与管束3之间用于填充相变蓄冷介质，相变蓄冷介质为受到微弱温度变化即发生相变的材料。具体地，相变蓄冷介质为CaCl2·6H2O、MgSO4·3H2O、NaSO4·10H2O、固体石蜡、十四烷或硬脂酸酯。本文通过设置中心圆管31和周边圆管32作为载冷流体的通道，使得中心圆管31和周边圆管32中的载冷流体与相变蓄冷介质充分接触，防止其与相变蓄冷介质混合，连接肋片33能够增加相变蓄冷介质与载冷流体对流时的传热面积，并且增加了表面传热系数，进而增强载冷流体与相变蓄冷介质的对流换热效果，并调控内部环境的温度，极大的提高了蓄冷效果，达到以小容量实现高效率蓄冷的目标，提高蓄冷装置的有效利用率，降低制冷系统的装机容量。此外，连接肋片33使得中心圆管31和周边圆管32呈分散状设置于各扇形区4中，使得中心圆管31和周边圆管32中的载冷流体能够与整个扇形区4范围内的相变蓄冷介质进行充分换热，提高蓄冷效果。图2-8蓄冷装置截面图使用时，打开端盖，向壳体1内填充相变蓄冷介质，再盖好壳体1两端的端盖，向管束3内通入一定流速的载冷流体，当具有一定流速的载冷流体流经周围填充有相变蓄冷介质的中心圆管31和周边圆管32时，由于温差会与相变蓄冷介质发生对流换热的物理现象，载冷流体被压缩，放出热量，压力升高，流速加快，强化换热效果；而相变蓄冷介质温度降低，发生相变，相变蓄冷介质发生相变潜热，将载冷流体的释放的冷能储存起来，从而实现储蓄冷能的技术，即将载冷流体的冷能，通过相变而储存在多管束蓄冷相变材料装置当中。同时，还可根据实际需求调整载冷流体的流速，使其达到最优的蓄冷效果。于本文中，中心圆管31和周边圆管32的轴向方向与壳体1的轴向方向一致。中心圆管31的两端分别穿过两个端盖伸至外部，周边圆管32的两端分别穿过两个端盖伸至外部，连接肋片33的长度与壳体1的长度相同。各连接肋片33与中心圆管31连接的侧边均与壳体1的中心轴线平行。为了使得整个扇形区4的换热效果更加均匀，多个周边圆管32沿周向均匀分布于中心圆管31外部，具体地，周边圆管32设置为六个。壳体1外覆盖有保温层5，设置保温层5是为了给相变蓄冷介质和空气对流换热时提供必须的反应场所，能够将外界环境与保温层5内环境隔开，减少外界环境对于壳体1内系统的干扰。具体地，保温层5的材质为气凝胶毡或聚氨酯泡沫。中心肋片2的长度与壳体1的长度相同。为了将壳体1均分为多个扇形区4，各中心肋片2的第二侧边交汇于壳体1的中心轴线处，且任意两个相邻的中心肋片2的夹角相同。具体地，中心肋片2设置为四个。3蓄冷装置网格划分及保温层材料的选择3.1认识ANSYS随着第三次工业革命对于计算机发明，致使现如今计算机普遍应用于世界的各个角落，对于产品的设计、研发，计算机成为其必不可少的工具，CAE（computeraidedengineering）技术应用而生[4]。在众多的有限元分析软件中，ANSYS无疑其其中功能最为强大，应用领域最为广阔的一种软件。ANSYS现在已经发展到了19.0版本了，可见市场对于ANSYS功能的需求量越来越大，随着版本的更新换代，现在已经构成了一条完整的体系，集前处理、计算分析、后处理于一体，方便使用者在不需要借助其他软件的帮助下，就能够独立完成所需要的结果。本文主要借助于ANSYS软件内的ANSYSICEMCFD进行建模、网格划分和FLUENT有限元分析计算。3.1.1ANSYSICEMCFD简介ANSYSICEMCFD是ANSYS软件内的一个集成建模、网格划分等前期处理的功能的一款软件，本文利用其强大前处理能力，构建了多管束蓄冷相变材料装置，并在其内部进行网格划分，得到高质量的网格，为流体有限元分析提供了有效的保证[5]。网格就是由三角形、四边形等形状的图形，将模型的整个面划分成无数个小区域，每个区域都会与相邻区域公用一条边，在边界的交界处，便会形成共用节点，整个网格化后的模型，就会形成无数多个离散的点，建立相应离散方程，就能够知道，每个节点上的温度、速度、压力等参数，这些节点就像是安装在每个位置的温度表、压力表，实时监控节点参数的变化，拥有了网格化后，对于仿真分析求解就方便许多，克服了传统做实验研究带来设备缺乏、操作困难等方面的缺陷。ICEM网格划分工具具有极强的可操控性能，使用者不需要过多的去一步一步设置，依据其强大的自处理能力，自动修复漏洞，自动生成网格，只需要对网格尺寸根据自己的需求设置相应的参数，对网格的形状根据自己的喜好进行设置。对于模型构建具有极其简便的方法，让初学者一学就懂；几何修改操作那更是方便快捷，通过不同的颜色来区分每一个面，如果有几何重叠的部分，通过颜色便能一眼区分出来，除此之外，点、线、面、体的删除也很方便；智能化网格生成方法和网格质量提高的方法都是非常先进的对于存在复杂的流体仿真分析时，流动区域多发生在不规则的模型区域内，对于不规格网格的划分要求就比较的高，其网格生成的质量对于流体速度场、压力场、温度场的分析将产生较大的分歧，自从贴体网格方法的应用，很好的解决了不规则区域内网格质量差的问题，网格生成的方法已经一种解决流体分析问题最为有效的方法，它是一款极具自动智能化的软件，同时还在随着社会的发展，不断地更新换代，越来越受到人们的喜爱。3.1.2FLUENT求解器的简介FLUENT求解器是ANSYS公司旗下一款用来模拟复杂流体流动的软件，应用于流体仿真、声音传播、机械装置等的应力分析[6]，它拥有极强的网格化识别性能，能够将网格的质量以文字的形式，做出一份详细的报告，用户只需通过报告的内容进行改进。软件本身还收纳着许多材料的基本参数，为了使用方便，也可以自行添加所需的材料，定义材料的属性，设置边界条件，拥有着成熟的物理模型，能够对流体流动的各种环境进行设置，不仅可以模拟一种流体，还可以模拟几种流体从不同的方向流动。在仿真计算中，残差值的收敛、计算结果的准确度都是极高的，能够得到温度场、速度场、压力场等图标，用户可以根据颜色的变化梯度，看出流体在各个过程的动态仿真过程。3.2对模型进行网格划分本文所建模型为非结构体，下面我们将就针对非结构体网格生成的方法对上述模型进行网格划分。3.2.1初步网格划分本文在上述模型建立完成的基础上，由于ANSYSFLUENT软件内部没有进行模型修改及网格划分的工具，所以我下面将进行的工作内容是对多管束蓄冷相变材料装置的网格划分。根据多管束蓄冷相变材料装置的几何特点及其实际用途，此多管束蓄冷相变材料装置内部存在四种材料，分别为载冷空气、铸钢、蓄冷相变材料、保温层材料，考虑到蓄冷装置内部结构比较紧密、复杂，而且载冷空气在蓄冷罐中的流动状态为湍流，所以在此次网格划分中，我采用的是三角形网格，考虑到载冷空气与蓄冷相变材料总的换热面积占整个面积的比列相对较小，但是温度变化比较明显，所以我对小圆管束、中心肋片、雪花状肋片、及保温层进行了网格加密。图3-1三角形网格几何模型已经修改完成，并且已经创建好了Part、定义了BODY的基础上，对整个模型进行网格划分。首先我对整个模型进行网格参数的定义，由于网格化对于电脑性能有极高的要求，在此局限性下，我将全局网格参数scalefactor定义为6mm、Maxelement定义为0.8mm。其次对各个Part进行网格参数的设定，我将ZAILENG-IN和ZAILENG-OUT的最大网格质量尺寸（maxsize）设定为8mm，将XULENG-IN和XULENG-OUT的最大网格尺寸设定为6mm，点击Apply，选择File-Geometry-SaveGeometryAs，保存此时的几何模型。棱柱网格尺寸参数如图所示。完成上述步骤之后，便可以生成网格了。图3-2载冷空气进、出口网格尺寸图3-3蓄冷相变材料进、出口网格尺寸（a）截面网格图（b）三维实体网格（c）圆管网格图（d）中心肋片网格图图3-4网格化的模型通过对于各个结构网格化后的独立观察，可以大概确定，已经将整个三维模型的各个面都做到了三角形网格化。3.2.2检查网格质量我们不能仅仅是将网格分划好了之后就直接导入到FLUENT内直接进行流体的仿真，那样的做法是不正确的，不能够急于求成，而忽略网格质量的好坏对于仿真结果的影响。网格质量比较低的时候，对于流体的仿真将会出较大的误差，尤其是在存在相变的流体仿真中，其内部环境及其的复杂，较差的网格将会得到错误的结果，极大的偏离实际生活中的常识，下面就将针对网格质量进行检查。图3-5网格质量柱状图如图2-13所示，此柱状图即反映出模型网格质量情况，由横坐标可以看出，整个模型网格质量在0.2-1的区间内，相对来说，网格质量处于中等偏上，仍需要对其进行相应的提高。图3-6提高后的网格质量柱状图通过对于网格的调整，我得到了如图所示调整完网格质量之后的柱状图，从图中可以看出，整个模型网格化后的质量均集中在了0.25-1之间，并且，与上图相比较，0.3所占比例有所减少，整个模型网格质量分布较为均匀，网格质量有了显著的提高。整个仿真计算前的准备工作，到此就告一段落，下面我将进行整个课题最关键的部分，通过改变保温层的厚度，进行仿真计算。3.3建立数学模型根据整个装置的工作原理，我归纳出五个传热过程：首先是载冷流体与铸钢圆管之间的传热，其次是铸钢圆管与雪花状肋片之间的传热，然后是蓄冷相变材料与铸钢圆管之间的传热，最后是中心肋片及雪花状肋片与铸钢圆管之间的传热。其中还包含保温层对于外界环境与蓄冷相变材料和中心肋片的传热过程。3.3.1假设理想状态（1）载冷空气在圆管进口处以2m/s的速度流入，流动过程中不存在能量的损失。（2）蓄冷相变材料完全填充于蓄冷装置的整个空腔内部，与小圆管、雪花状肋片、中心肋片紧密贴合。（3）蓄冷相变材料在整个蓄冷过程中导热系数、比热容、蓄冷密度、动力粘度等保持不变。（4）保温层能够完全隔断外界环境的干扰。3.3.2控制方程本文中模型在整个传热过程中，没有存在模型的变形和断裂情况，是通过进口和出口处载冷流体温度、压力、速度等参数作比较来分析的，在不影响蓄冷装置的传热过程的前提下，进行数学建模。整个蓄冷装置是封闭环境（除了载冷流体的进口和出口），蓄冷相变材料充满于多管束蓄冷相变材料装置内部空腔内，它主要是通过与圆管壁和雪花状肋片、中心肋片相接触来进行热传导。从外观上看，此装置呈现为一个圆柱状，在此基础上建立热平衡方程如下：（3-1）式中：p—密度（kg/m3）；λ—导热系数（w/（m·k））；T—温度（℃）；H为蓄冷相变材料温度的总焓，由显热h和潜热∆H两部分构成[7]。3.4蓄冷装置保温层材料的选择多管束蓄冷相变材料装置在整个蓄冷过程中，为了保证内部能量守恒，不被流失，特此采用加以一定厚度的保温层来遏制能量的流失。常见的保温材料有以下两种：表3-1无机保温材料材料分类 材料名称 密度（Kg/m3） 导热系数w/（m•k）玻化微珠 240-300 ≤0.085 优点：防火、阻燃，克服了膨胀珍珠岩吸水率大易粉化等。缺点：强度相对较低、吸水率偏高、保温效果一般。 岩棉板 80-340 0.041-0.045 优点：防火，阻燃。缺点：吸湿性大，保温效果差 陶瓷保温板 280 0.08-0.10 优：防火、不燃、不吸水、施工方便、使用耐久。 珍珠岩等浆料 300-400 0.07-0.09 优：防火性好、耐高温。缺：保温效果差，吸水性高。表3-2有机保温材料材料分类 材料名称 密度（Kg/m3） 导热系数w/（m•k）膨胀聚苯板（EPS板） 24.7-37.8 0.037-0.041 优点：具有质轻、价格低廉保温效果好。缺点：强度稍差。 挤塑聚苯板（XPS板） 29 0.033 优点：保温效果比膨胀聚苯板要更好一些、强度也更高一些。缺点：价格稍贵，施工时板材表面需要进行界面处理。 酚醛保温板 80-120 0.018-0.024 优点：防火、保温性能好。缺点：脆性大、易粉化、施工不变，价格昂贵。到底选用哪种，必须要考虑以下几个方面。（1）保温材料获取方便，便于购买。（2）保温材料材质要易裁剪，因本文所述蓄冷罐尺寸不是常规的，必须要人工进行剪切。（3）保温层材料必须是绿色无污染、无毒无害的物质，现在全世界都在提倡保护环境，所以不能够采用不能回收利用的，防止对环境造成污染。（4）保温材料必须是密度低、传热系数小、保温性能好的材质。价格低廉，使用寿命长，耐腐蚀的材质。根据表3-1、3-2可知，首先在无机材料与有机材料的对比下，发现无机材料的密度和导热系数都较有机材料高，而且保温效果也没有有机材料的效果明显；其次，在有机材料在进行选择，酚醛保温层材料密度较大，容易使蓄冷装置造成较大的负担，无形中增加了蓄冷装置的重量，造成安装、搬运困难；最后在膨胀聚苯板和挤塑聚苯板进行选择，两种材料的密度、导热系数都相差不大，挤塑聚苯板比膨胀聚苯板保温效果更好，但是挤塑聚苯板价格较昂贵，使用前还需要进行界面处理，对于使用造成不便。综上所述，本文保温层材料选择膨胀聚苯板。3.5保温层材料热流密度的计算在进行材料属性的时候，选中baowenceng，然后点击Edit，就会弹出保温层材料参数的设定，其中会出现HeatFlux这个名词，它代表的是热流密度，根据傅里叶定律，我们可以知道，热流密度的表示式可以写为：（3-2）式中：q—热流密度（w/m2）；λ—导热系数w/（m·k）；—保温层外壁温度（℃）；—保温层内壁温度（℃）；—保温层厚度（m）；[8]本文保温层厚度是不断的变化的，将变化后的厚度及保温层其他参数代入到上式，就会得到不同厚度下的热流密度。表3-3膨胀聚苯乙烯的参数厚度mm 表面传热系数hW/（m2·K） 导热系数λW/（m·K） 热流密度qW/m210 0.012 0.037-0.041 11020 0.012 0.037-0.041 5530 0.012 0.037-0.041 36.6740 0.012 0.037-0.041 27.5050 0.012 0.037-0.041 2260 0.012 0.037-0.041 18.3380 0.012 0.037-0.041 13.75100 0.012 0.037-0.041 11120 0.012 0.037-0.041 9.17通过对表3-2中膨胀聚苯乙烯数据参数的分析，可以看出，随着保温层厚度的增加，保温材料的热流密度是在逐渐的减小的，与截面积增大，单位面积上的热流密度减小的理论知识相吻合。4保温层厚度的有限元仿真分析本文在第三章已经详尽的介绍了模型的创建、修改和模型的网格划分、网格质量的提高，本节将会讲述网格化模型导入至FLUENT求解器当中对流体的蓄冷过程进行仿真。4.1初始条件（1）载冷流体为空气，在小圆管内流通，其进口速度为2m/s，进口压力为1.013×105Pa，进口温度为100K。（2）蓄冷相变材料填充蓄冷装置内，保持静止，不发生流动，初始温度为400K。（3）保温层材料采用膨胀聚苯板，其初始温度定为300K，导热系数取0.04W/（m··K），表面传热系数为0.012W/（m2·K）。（4）保温层初始状态，其两侧的温度均为300K。4.2改变蓄冷装置保温层厚度前处理下面将进行载冷空气在多管束蓄冷相变材料装置中换热过程的模拟，在此期间，必然会出现一系列的问题，我们将会通过相互帮助、相互讨论，以及询问老师的方式，去对待最后一项工作内容。1. 将已经网格化好的模型导入FLUENT环境界面。图4-1导入网格数据点击FLUENT图标，将会出现FLUENT启动界面上，在界面上将规格选为3D、处理器选为Serial，其余选项保持默认。2. 对网格进行设置、检查首先，将网格尺寸单位设置为mm，在控制面板左侧点击General→Mesh→Scale→ScaleMesh→ViewLengthUnitIn[9]，在下拉菜单中选择mm。由下图，可以看出，模型X轴的最大尺寸为2300mm，最小尺寸为-2300mm，与最初设定的几何尺寸所吻合；Y轴方向上的最大长度为2300mm，最小长度为-2300mm，因为模型为圆柱形，所以X轴和Y轴最大、最小尺寸相同；Z轴的最大高度为5400mm，最小高度为1400mm。图4-2设置调整网格尺寸单位其次，进行网格的检查工作。虽然前期已经对网格质量检查并调整过了，但是将网格导入到FLUENT内，可能存在数据的丢失，网格质量的破坏。图4-3网格检查然后，将网格显示在三维直角坐标系中。在菜单栏中，点击Display，在弹出的对话框内，EdgeType选择All，其余各选项保持默认，点击Display，即可显示网格，在坐标系中，利用鼠标用肉眼查看各个部分网格分布情况，并将网格化后的模型调整到中间位置，以X、Y轴平面显示，便于下一步的操作。图4-4显示网格最后，对求解类型和模型进行设置。求解类型Type选择Pressure-Based，VelocityFormulation选择Absolute，Time的类型选择Steady；设置模型为物理模型，在ViscousModels对话框中选择K-epsilon（2eqn）[10]，其余各参数保持默认。图4-5求解类型、物理模型的设置3.设置材料属性在整个多管束蓄冷相变材料装置内存在以下几种材料：空气、铸钢、蓄冷相变材料选择固体石蜡、保温层材料选择膨胀聚苯乙烯。（1）载冷流体材料选择空气，空气温度在100K时，其密度为1.255Kg/m3，导热系数为0.0242W/（m·k）。（2）铸铁材料主要用于制作中心肋片、雪花状肋片、小圆管束、保温层内壁和外壁。肋片的厚度定义为20mm，小圆管的厚度定义为10mm，保温层内外壁厚度定义为40mm。铸铁的密度为42~90W/（m·k）、铸钢的导热系数为35~45W/（m·k），由此可以判断铸铁的热传导性能比铸钢的要好。（3）蓄冷相变材料选择固体石蜡，导热系数：15.1x102W/（m·k），相变潜热：256KJ/KG，动力粘度：5～16（mm²/s100℃）。图4-6选择材料图4-7设置空气材料属性4.设置边界条件首先进行对于区域的划分，对区域进行边界的设定。点击左侧控制面板中的CellZoneConditions，在弹出的菜单中设置材料名称为Created-Material。图4-8设置区域边界条件其次，对入口进行边界条件的设置。本文将载冷空气入口时的速度定义为2m/s，压强为101325Pa；蓄冷相变材料选择的是固体石蜡，只要当石蜡融化时才具有流动情况，蓄冷装置启动前，固体石蜡的状态仍为固体，所以蓄冷相变材料的初始速度定义为0，压力也为0。图4-9载冷空气初始条件图4-10蓄冷相变材料初始条件然后，对出口边界条件和墙面边界条件进行设置。出口分为两种，一种是载冷空气从小圆管中流出，另外一种是蓄冷相变材料的出口。本蓄冷装置的工作原理是在冷空气从小圆管束的进口流入，通过管壁、中心肋片、雪花状肋片与蓄冷相变材料的换热，载冷空气温度降低，相应的流速也会发生变化，流体的速度是随时变化的，本文蓄冷装置进行的是稳态热分析，仅需将材料的导热系数定义好，将载冷流体的出口速度设为自定义，出口速度根据整个装置仿真结果来得到的。蓄冷相变材料，本文采用固态石蜡，定义为静止状态，无速度的变化。图4-11空气出口边界条件图4-12蓄冷相变材料出口条件本文中，将未设置的中心肋片、雪花状肋片、小圆管、保温层内外壁等区域设为墙壁。图4-13墙面设置4.3改变蓄冷装置保温层厚度后处理上述步骤，已经完成对于网格化后模型的材料属性、各区域边界条件的设置等前期的处理工作，下面将要进行的是本文的中心主题，对于多管束蓄冷相变材料保温层厚度的变化，所带来的影响。1、多管束蓄冷相变材料装置保温层材料的参数此蓄冷装置的保温材料选择膨胀聚苯乙烯（EPS板），其初始温度定为300K，导热系数取0.04W/（m··K），表面传热系数为0.012W/（m2·K）[11]。2、保温材料属性的设置（1）设置保温层厚度在本次设计中，我们将保温层厚度设置为40mm、保温层材料为膨胀聚苯乙烯（EPS板），其初始时刻，保温层两侧温度外壁温度保持在27℃、内壁温度保持在-0.5℃；导热系数取0.04W/（m·K）；表面传热系数为0.012W/（m2·K）[12]。此时的热流密度为：（4-1）（2）在FLUENT界面上，对保温层材料属性进行设置。图4-14保温层材料参数设置图4-15初始化设置（3）设置迭代次数。对于非定常流体仿真计算，无法判断迭代次数取多少合适，初次设置，将迭代次数设置为200步，观察残差图。图4-16迭代步数图4-17初始残差图界面白色（continuity），代表动量方程；红色、绿色、蓝色（X-velocity、Y-velocity、Z-velocity）分别表示在X、Y、Z轴方向上速度的变化关系[12]；乳白色（energy）表示能量方程，随着迭代次数的变化而变化。一般情况下，速度先发生变化，可以看出Z轴速度在迅速增大、Y轴方面在缓慢增加、X轴方向在急剧减小的趋势，代表着冷空气已经开始向蓄冷装置内流入，蓄能过程开始，紧接着就是能量随之发生微弱改变，动量方程是最后发生变化的。残差图不会影响仿真计算分析的结果，只是对于计算过程进行实时的监测，即使的将能量、速度、动量等以动态曲线图即时的反馈在控制界面上，给使用者最直观的感受。图4-18迭代200次在残差图上，我们可以清晰的发现各个曲线所代表残差值没有降低到10-3以下，文本显示窗口也并未出现Solutionisconverged字样，表示各变量的残差值并未达到收敛的标准，在原有的基础上继续将迭代次数设置为200次进行计算，重复上述步骤，得到600次后的残差图。图4-19迭代600次观察残差图发现，所有曲线都已经处于稳定状态，说明计算结果将不会在随着迭代次数的增加而发生变化了，此时，基本就可以认为物理量的残差值收敛。（4）流体计算已经结束，此时在最左次控制面板上点击GraphicsandAnimations，然后在跳出的对话框内双击Contours，Surface栏选择全选，在Contoursof下拉菜单栏[13]内可以选择压力、速度、温度等的云图。图4-20温度场云图上图中，左侧图例代表温度，从下往上是温度变大的方向。在此图中，最低温度是9.84K，最高温度为400K，红色区域温度最高，代表当时蓄冷相变材料的温度并未发生变化，是初始时刻，也是载冷空气入口。图4-21保温层温度场图4-22出口处温度分布云图当蓄冷装置，保温层厚度为40mm时，我们得到如图所示的温度场。从图中可以看出，随着时间的变化，保温层的温度从载冷流体的入口到出口方向上变得越来越低，温度的分布梯度非常明显。由于，整个蓄冷装置是呈现圆柱状，每部分圆管束在其中的分布并不是均匀的，导致蓄冷相变材料分布不均，就会出现上图所示浅绿色和淡蓝色相间的情况。本次计算结果，可以明显的看出，保温层对于蓄冷装置蓄冷特性的影响非常的大，保温层能够很好的保护蓄冷装置内部的冷能不被外界所吸收，起到一定的保温效果。4.4改变保温层厚度的仿真分析为了能够得到更加直观的明白保温层厚度是怎样的影响蓄冷装置的蓄冷效果，现分别将保温层的厚度设置为20mm、40mm、60mm、80mm、120mm等几种不同的厚度，对蓄冷装置的蓄冷特性进行观察。（a）20mm（b）30mm（c）40mm（d）60mm（e）80mm（f）100mm（g）120mm（h）150mm图4-23不同厚度保温层温度场在图4-23中，a、b、c、d、e、f、g、h八幅图分别表示的是保温层厚度为20mm、40mm、60mm、80mm、100mm、120mm、150mm下的保温效果图。20mm与30mm的温度场明显和其他四幅有着明显的区别，在20mm、30mm的温度场分布图中，主要呈现的是蓝色，代表的温度在174K以下，可以说温度已经已达到零下了，这就说明此时保温层对于蓄冷装置内部的冷能保护的不好，外界环境温度普遍在20℃以上，很容易造成保温层与外界空气能量的转换，冷能的散失，说明其保温效果不好。反观，40mm、60mm、80mm、100mm、120mm、150mm这六幅图，其温度场很好的反应了蓄冷装置K内部的温度变化，颜色分层比较的明显，从入口处355-385K相对较高的红色，变至159-189K之间，温度的差还是比较明显的。温度场的分布很有特点，可以看到，中心肋片与保温层焊接部分周围的温度为174K左右，没有接触周围温度为219K左右，温差还是比较的大，从另一个方面说明了在肋片上存在着能量的传递，所以数值模拟得出的温度场曲线中，保温层温度高，说明其保温效果好，温度低则说明其保温性能差。将保温层温度继续的增大，其仿真计算得到的温度场图几乎没有什么较大的区别，无法从温度场颜色梯度的变化来判断保温层厚度对于蓄冷装置蓄冷特性的影响，这时我们采用将模型仿真后温度场的数据导出，然后利用这些数据做出温度的变化曲线，这样更加直观。图4-24各保温层温度曲线变化如图4-24所示，该图的曲线是通过FLUENT有限元的仿真，将保温层厚度分别设定为10mm、50mm、80mm、100mm、120mm、130mm、150mm等，得到蓄冷装置的温度场，本文利用Line的功能，在温度场图中，沿Z轴正方向从原点沿保温层外壁划一条线，这条线便可以代表整个保温层随着Z轴的变化，其温度也是变化的，这时将线上的数据导出，使用MATLAB将各厚度温度变化做成了曲线。曲线横轴代表着Z轴正方向位置变化，纵轴代表的是Z轴方向保温层温度变化。本文对保温层厚度取值比较分散，其原因在于厚度相差不大时，曲线的变化不够明显，所以取了七组相对比较具有代表性的数据。由于在仿真时，边界条件设置最高温度为400K，最低温度为100K，各厚度初始时刻的温度均接近400K，仿真结束时的温度随着保温层厚度的增加而变高的，从另一个方面而言，可以用初始和末了时刻的温差大小来衡量保温层的保温效果，温差越大，其保温效果越不好；温差越小，其保温层的保温效果越好。保温层的厚度并不是越厚越好。如果太厚的话，无形之中加大了真个蓄冷装置的重量和体积，对于运输、制造和安装造成很重的负担，而且还会增加投资建设的经济成本，考虑到诸多因素并结合仿真实验结果之后，得出本文所述蓄冷装置的保温层厚度为120-150mm之间为最佳值。5总结与展望5.1总结本文主要进行了保温层的厚度对于蓄冷装置蓄冷特性的数值模拟分析，基于ICEMCFD建模的方法，自主创新，设计出了一款具有超强换热能力的理论模型，通过网格划分，FLUENT的仿真计算，得到不同厚度下蓄冷装置的温度场分布图，并进行详细的分析讨论，揭示出保温层厚度对整个蓄冷装置有着提高换热效率的影响。主要存在以下几个问题：（1）蓄冷装置内部结构分布不均匀。模型主体为圆柱形，内部构造相对比较复杂，有大小肋片、圆管等焊接而成，就造成圆管束不能够在每一个区域内到相应中心肋片和保温层内壁的距离相等，空腔体积就会有大、有小。（2）肋片的分布不合理。中心肋片、雪花状肋片与模型端盖、保温层内壁的接触，就会导致相应接触表面出现热传导的现象，造成能量的流失。（3）实体模型缺陷，无法使蓄冷相变材料流动。本装置应用于载冷流体与蓄冷相变材料理论上应该是进行自然对流换热的，但是实际情况端盖的加入，无法实现相变材料的流动。（4）网格质量不够精确。在对三维模型进行网格划分的时候，无法保证模型的各个面都做到高质量的网格，造成仿真计算不够精确。（5）边界条件、材料参数的设置。进行FLUENT仿真计算的时候，对于蓄冷装置边界条件的设置需要符合载冷流体与蓄冷相变材料的反应环境，载冷空气参数的设定要满足换热之后蓄冷相变材料发生相变的参数。总的来说，在误差允许的范围内，我们还是得出比较可信的结论。5.2展望本文在前人研究的基础上，发明了一种多管束蓄冷相变材料装置，在相变材料蓄冷装置领域属于一大创新，针对载冷流体与蓄冷相变材料在蓄冷装置内进行换热过程进行了详细的说明，但此装