摘 要

相变蓄热技术是一种新型汽车发动机余热回收再利用技术，是提高热效率和减少排放的常用方式之一。本文以同心套管式相变蓄热装置为例，设计了一款能在120s内使发动机壁温从0℃升高到至少50℃的相变蓄热装置。本文基于FLUENT软件仿真建模，设计了6种不同的相变蓄热装置。首先分析了翅片长度对于PCM凝固的影响作用，然后分析了翅片数量对PCM凝固的影响，最后分析了自然对流对PCM凝固过程是否有影响。通过以上分析得到如下结论：

1）添加翅片可以促进相变材料的凝固；

2）增加翅片的长度可以加快相变材料的凝固；

3）添加翅片对于相变材料凝固的促进效果比增加翅片更为明显；

4）自然对流对相变材料凝固影响较小。本文研究为强化相变材料熔化传热和相变蓄热器的优化设计提供了一定的理论基础。

5）设计的12个翅片，40mm翅片长度的相变蓄热装置符合设计要求。

关键词：汽车；相变材料；凝固；翅片；自然对流

Abstract

Phase change heat storage technology is a new kind of waste heat recovery and reuse technology of automobile engine, which is one of the common ways to improve thermal efficiency and reduce emission. Taking concentric casing phase change heat storage device as an example, this paper designs a phase change heat storage device that can increase the engine wall temperature from 0℃ to at least 50℃ within 120s. In this paper, six different phase change heat storage devices are designed based on FLUENT software simulation modeling. Firstly, the influence of fin length on PCM solidification was analyzed, and then the influence of fin number on PCM solidification was analyzed. Finally, the influence of natural convection on PCM solidification process was analyzed. Through the above analysis, the following conclusions are drawn:

1) adding fins can promote the solidification of phase change materials;

2) increasing the length of fins can accelerate the solidification of phase change materials;

3) adding fins has a more obvious effect on solidification of PCM than adding fins;

4) natural convection has little effect on the solidification of PCM. This study provides a theoretical basis for enhancing the melting heat transfer of phase change materials and optimizing the design of phase change heat accumulator.

5) the designed phase change heat storage device with 12 fins and 40mm fin length meets the design requirements.

Keywords：Vehicles; Phase change material; Solidifying; Fin; Natural convection

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究意义 1

1.3相关研究 1

1.4小结 3

第二章 蓄热器设计及模型建立 4

2.1汽车余热相热蓄/放热系统 4

2.2 相变材料的选择 5

2.2.1相变材料的分类 5

2.2.2相变材料的选择 5

2.3翅片材料的选择 6

2.4物理模型 7

2.4.1蓄热器能力的确定 7

2.4.2蓄热器结构的设计 8

2.4.3物理模型建立 8

2.5蓄热装置材料选择和模型简化 10

2.6数学模型建立 10

2.6.1 FLUENT凝固/熔化模型 11

2.6.2 连续性方程 11

2.6.3 能量方程 12

2.6.4 动量方程 12

第三章 结果与讨论 13

3.1无关性验证 13

3.1.1时间步长无关性验证 13

3.1.2网格无关性验证 13

3.2模拟结果 14

3.3 结果分析 17

3.3.1翅片长度对PCM凝固的影响 17

3.3.2翅片数量对PCM凝固的影响 17

3.3.3自然对流对PCM凝固的影响 18

3.4 设计结果 19

3.5 小结 19

第四章 结论与展望 21

参考文献 22

致谢 24

第一章 绪论

1.1研究背景

随着科学技术的进步，生产力的提高，近年来，全世界能源消耗的不断上升，传统能源己经愈发难以满足人们的需求，同时，传统能源使用过程中导致生态破坏以及环境污染问题受到了全世界的广泛关注。为解决能源紧缺、能耗过快和环境污染的问题，世界各国都在加快能源节约技术和新能源开发的研究脚步。有效提升能源利用效率是应对全球能源危机的重要手段之一。根据International Energy Agency的统计结果表明^[1]， 2012 年全球交通运输能源结构中，石油制品占92.8%，天然气占3.6%，电力占1.0%，煤仅占0.1%。随着经济水平的提高，全球石油消费量也持续稳步增长，其中很大的一部分用于交通运输，1999 年，全球石油消费的51%用于交通运输，2007 年全球石油消费中53. 5%用于交通运输，预计到2035年这个比例将达到60. 8%，2007 ～2035 年间，运输部门将占全球新增液体燃料消费量的87%。而交通运输石油消耗量中约一半用于道路交通运输，在未来很长的一段时间内还会持续增长。随着随着不可再生能源总量的下降，如何节约能源成为当下急待解决的问题之一，汽车能源和排放越来越受到关注， 汽车发动机余热利用和冷起动问题也成为焦点问题。从汽车所用发动机的热平衡来看^[2]， 用于动力输出的功率一般只占燃油燃烧总热量的 30 % ～ 45 %(柴油机)或 20 % ～ 35 %(汽油机)， 其余一多半的能量都被散失或排放到大气中， 造成了能源极大浪费和不良的环境危害。

1.2研究意义

用相变蓄热技术将排放到大气环境中的高品位的汽车燃烧余热回收利用起来，是实现汽车节能，降低汽车能源消耗的一个有效途径。所谓相变蓄能技术即利用相变材料在凝固-熔化、凝结-气化、凝华-升华等其他形式的相变过程中能量的吸收或释放的原理，进行能量的蓄存或者释放，是合理利用能源以及优化热能系统运行的重要手段，能够有效地平衡能量供求双方在时间、地点以及强度上的不匹配，有利于提高能源利用率。

1.3相关研究

相变蓄热技术在工程应用中十分广泛，它具有蓄能密度大，温度变化小，能量吸收或释放快等特点，是目前国内外研究的热点。

其中通过使用翅片强化传热的研究包括吴学红等^[3]针对蓄热器换 热效率低和蓄热器内部温度分布不均匀等问题，结合套管式和多管式蓄热器的换热特性，开发出高效蓄热换热器。研究结果表明，通过添加翅片和增加翅片长度可以节省相变材料熔化时间并改善相变材料凝固过程中相变“死区”对整体放热时间的影响，该结论对相变蓄热装置的优化设计提供参考。王美俊等^[4]建立了翅片管和光管式相变蓄热单元的三维计算模型，采用数值模拟方法，从蓄热速率、蓄热量以及温度场等方面 比较分析了翅片管和光管结构对储热性能的影响通过计算得出在一定条件下添加翅片有助于提高蓄热体的蓄放热性能，所得结论对实际工程中相变蓄热系统的设计和优化具有一定的参考价值。Shengxiang Deng等^[5]在考虑自然对流的情况下，建立了基于有限元法的二维数值模型，并用实验数据对计算结果进行了验证，首次研究了不同翅片布置下的潜热储能装置传热特性，得到了翅片布置对潜热储能装置传热的影响，该结论为设计潜热储能装置时翅片的布置提供了理论依据。