管壳式相变储热换热器的数值模拟开题报告

“温度对口、梯级利用”是科学用能遵循的重要原则。随着我国经济的快速发展，对各行业用能的清洁程度、成本限制提出了新的指标要求，尤其在我国北方地区供暖季节，由于燃煤不充分等原因将形成雾霾，严重影响空气质量。为了削减取暖燃煤用量，改变用能习惯，提升城市的宜居水平，以北京为代表的各大城市正在逐步推进“电能替代”工作，预计将在“十三五”末期完成“煤改电”全覆盖，电力作为清洁能源在社会供能体系中承担越来越重要的角色。

由于供暖要全天候满足温度要求，而峰谷期电价差异较大，为了更多地享受国家峰谷电价优惠政策，工业园区企业在错峰用电基础上可以考虑将大量低谷段电量通过电热转化方式储存起来，在用电的高峰期释放以满足大功率供暖的耗能需求，通过电量谷峰转移，减少供热系统的电力峰期用电量，从而降低企业生产运营成本，达到降本增效的目的。传统小区的供暖“煤改电”同样也可以采用峰谷电量转移的方式，实现低成本的电供暖，不仅可以降低居民自身的用能成本，还可以减少市政管廊的投资建设和维护成本。通过对可实现峰谷电量转移储热技术的开发，同样可为太阳能热发电行业储热系统工程化的建设提供理论支持和实验数据支撑。此外，近些年我们社会经济高速发展，城市化和工业化进程不断推进，消耗大量能源，在这个过程中，资源短缺，供给侧压力增大，能源利用率较低等问题凸显，已经成为阻碍我国经济发展不可忽视的因素。为了降低供给侧的压力，提高能源利用效率、减少能源浪费是目前普遍采用的方法。而在各种形式能源浪费中，余热资源浪费尤为突出，工业生产中的大部分余热一般直接排向大气，既浪费资源又极易造成温室效应，造成叠加的环境问题。纵观余热资源，其产生原因主要是在生产过程中锅炉等换热设备的热损失造成。基于以上现实情况，储热技术作为一种行之有效的方式，为供暖行业结构调整及余热再利用提供了可选手段。考虑到利用峰谷差进行居民供暖以及余热利用等应用场合主要为150c以下中低温区，而制约中低温热利用主要原因为热交换效率较低，因此，找到一种适用于中低温热利用的储热技术便成了关键。其中，相变储热技术是利用特定材料在发生相变过程中吸收大量热量，将热量储存于材料当中。在需要热量时，再让材料将热量释放出来，通过这种热量储存与释放的可逆过程，达到谷电峰用及余热回收利用的目的。相变储热技术具有储热密度高、储释热过程温度恒定等诸多优势，目前已成为中低温热利用储热领域的研究热点。近年来，在节能建筑设计、太阳能热利用、电力调峰、余热废热回收利用等领域得到广泛关注。

相变储热单元作为相变储热系统的核心部分，储热材料储释热过程均在其中完成，因此，其使用寿命、稳定性、安全性及结构特点是研究重点。就中低温区储热供热场景而言，如何提高相变储热单元储/放热效率即换热效率也就成了研究关键，一方面决定于相变储热材料的性能，另一方面起关键作用的就是其中的换热装置，即相变储热换装置，其换热情况对系统效率有非常重要的影响。通过合理的相变换热器的设计能够有效弥补相变材料热导率低的缺点。

2. 研究的基本内容与方案

本论文的目标是通过模拟管壳式相变换热器的工作状态，确定数学物理模型正确性，根据模拟中相变材料在换热器中的流动传热特性确定管壳式相变换热器的性能。相对与实验测试而言，数值模拟是一种经济且高效的研究手段。数值模拟不仅可以通过模拟换热器工作，对其进行数据分析，用于后续展开具体实验研究，还能够根据模拟数据得出的结果进一步改良已有换热器。

本论文的研究内容为不同条件、不同数学物理模型下换热器性能特性，同一相变材料在换热器中的流动传热特性以及不同相变材料对于模拟结果的影响。

3. 研究计划与安排

1-3周：仔细阅读任务书，查阅收集相关研究方向的论文，了解研究现状，对整个课题进度进行规划，整理以后工作中需要用到的资料文献等。在阅读相关文献学习专业词汇的基础上完成毕业设计所要求的英文文献翻译。在完成细致的规划后可以完成开题报告和文献综述。

4-5周：安装ubuntu 16.04.4 lts系统，并完成系统的调试工作，如调整性能安装拓展程序等，并且熟悉ubuntu的常用操作。完成必要的环境调试之后，下载openfoam 2.4.0released的源代码进行编译安装，测试程序可用性，并熟悉其基本框架，通过官方指南中的算例来熟悉其基本用法。

6-8周：对定 进行建模，进行初步的网格划分。选择合适的求解器，并根据实际需要对求解器的代码进行修改，添加必要的程序。输入必要的数据，选择合适的参数，进行调试，并在计算结果上进行分析，调整参数、模型、代码、网格等，完成数值模型的初步建立。

4. 参考文献（12篇以上）

1. zalba b, marina jm, cabeza lf, mehling h(2003) reviewon thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysisand applications. appl therm eng 23:251-283

2. cao y, faghri a, chang ws(1998)a numerical analysis ofstefan problems for generalized multi-dimensional phase-change structures usingthe enthalpy transforming model. int j heat mass transf 32:1289-1298

3. lacroix m(1993) numerical simulation of ashell-and-tube latent heat thermal energy storage unit. sol energy 50:357-367