热模拟实验范文（精选3篇）
热模拟实验 第1篇
目前储热材料主要有三大类:显热储热材料、潜热储热材料和化学反应热储热材料。显热储热是所有热能存储方式中原理最简单, 技术最成熟, 材料来源最丰富, 成本最低廉的一种, 因而也是实际应用最早, 使用最普遍的一种。
显热储热是利用材料自身的热容和热导率, 使材料温度升高从而达到储热的目的。目前应用广泛的显热储热材料有硅质、镁质耐火砖, 硝酸盐, 铸钢铸铁, 原油, 混凝土等热容较大的物质[1,2], 其储热能力与成本比较如表1所示。
混凝土储热材料化学性能稳定, 成本低, 储热能力好, 热胀系数与钢材相当 (即可与钢管良好匹配) , 每储热1kWh成本在所有储热材料中最低, 是用于太阳能热发电的理想储热材料之一。Rainer Tamme[2]制备了高温混凝土, 在西班牙Plataforma Solar de Almeria (PSA) 太阳能热发电电站进行测试, 工作最高温度为390℃。经过60次充放热循环管道与材料结合良好, 储热材料、管道、热油均工作正常。
储热材料必须具有较好的热导率。其一, 热导率高, 则储热放热速度快, 节约管材。如果材料热导率低, 为了增加换热速度则管材排列更密, 而管材料的价格相对较贵, 这样就增加了储热材料的成本;其二, 热质量与温度有关, 根据卡诺循环原理, 温度越高, 可转化为其他形式能量的热能比例越大, 热质量越好。当储热过程中热流量一定时, 热导率越小, 储热材料内部温度梯度越大, 材料与热管温差大, 这样在传热过程中存在较大的热损耗。
混凝土储热材料主要缺点是热导率低, 该实验室制备的普通混凝土的热导率为0.88W/ (m·℃) , 通过掺加质量分数为5%的石墨粉后热导率可达到2.3W/ (m·℃) [1]。为了进行下一步储热测试, 文中设计了两种储热结构单元, 并对储热单元储热过程进行温度模拟, 用来指导储热系统的结构设计。
1 四方储热单元模型
现阶段在实验使用的混凝土储热材料被制成储热单元, 管道平行分布于混凝土中, 如图1所示。管道内为传热介质, 一般为矿物油, 矿物油由集热器加热后经管道泵送到储热系统中加热储热单元。
先建立这种简单结构的模型。钢管在储热单元中具有平移对称性, 取包含一根钢管的小单元, 为了便于计算再取此小单元的1/4进行二维截面模拟分析, 忽略轴向上的温度变化[3,4], 槽式抛物面镜线聚焦太阳能热发电系统集热器能达到最高温度一般不超过400℃。在这里设管道中油的温度保持400℃, 加热时间取7200s, 储热材料初始温度为350℃, 密度为2700kg/m3, 热容为1000J/ (kg·K) , 管道内径0.02m, 管间距0.1m。
用ansys瞬态分析方法, 分析温度分布和温度随时间的变化。传热方程为:
条件:
2 热导率对储热速度的影响
模拟结果如图2所示。可以看出随热导率的增加, 温度上升速度显著加快。当热导率为0.88W/ (m·℃) 、1.7W/ (m·℃) 、2.3W/ (m·℃) 时, 2h内温度还不能接近400℃, 当混凝土热导率为5.0W/ (m·℃) 时, 在4200s时单元最低温度达到399℃。可认为此单元完成了储热过程。
由此可以看出, 储热材料热导率越高越好。为了便于分析把混凝土分为浆体和骨料, 材料的热导率受体积分数大和热导率低的成分影响较大。混凝土成分中浆体多微孔, 热导率低。混凝土骨料体积占60%以上, 石子为比较致密的晶体, 导热性能比一般浆体好, 如玄武岩 2.177 W/ (m·℃) , 花岗岩 2.68～3.35 W/ (m·℃) 。该实验室制备的混凝土骨料为玄武岩, 在进行热导率改进时向混凝土中添加石墨粉, 只能改善浆体成分的导热性能。即使浆体改性后热导率大于骨料热导率, 由于受到骨料玄武岩热导率的制约, 其热导率也很难超过3 W/ (m·℃) 。在制备混凝土时发现, 随着石墨掺量的提高混凝土强度迅速下降, 而且当石墨掺量达到5%时, 浆体密度下降, 孔隙增加, 在自然养护时表面严重起皮。通过添加石墨粉改进混凝土的热导率作用是有限的, 需要经过其他途径来改进材料的导热性能。
3 储热单元结构设计
在四方储热模型中, 钢管平行排列, 在储热单元顶点存在温度最低点, 此点离钢管最远, 距离为0.061m, 储热最慢。为了减弱这种储热滞后现象, 把钢管由平行排列改为三角错排, 如图3所示。储热单元截面由正方形变为正六边形, 面积保持0.01m2不变。六边形顶点离中心钢管距离为0.052m, 与四方形截面相比, 距离缩短了15%;另一种模型如图4所示, 把散热器引入混凝土储热中, 在从钢管向6个顶点方向加入宽0.037m, 厚0.002m的石墨片, 此时石墨片截面占混凝土截面积的5%。温度在350℃时, 石墨热导率为129W/ (m·℃) , 密度2000kg/m3, 比热容1500J/ (kg·℃) 。这两种模型用的储热材料热导率均为0.88W/ (m·℃) , 即没有添加石墨的混凝土。根据对称性, 取单元截面的1/12进行有限元动态模拟。
4 储热单元结构优化后的储热速度
模型对储热单元顶角处温度的影响如图5所示。
可以看出, 截面为正六边形的单元温度最低点升温速度相对于正方形略增加, 但不显著。储热单元中添加定向的石墨片时, 由于石墨热导率远大于混凝土热导率, 石墨片内的温差很小, 几乎保持在400℃, 离钢管或石墨片越远, 温度越低。在这个储热单元中可能存在两个温度最低点, 图4中的D和C, 经过模拟发现这两个点升温速度基本相同, C点仍是温度最低点。此模型中储热单元升温速度大幅增加, 与正方形截面模型中热导率为5.0W/ (m·℃) 升温曲线几乎相同 (见图6) , 其等效热导率提高了4.7倍。此模型中用的石墨片与混凝土中加5%石墨粉质量相同, 但等效热导率提高了一倍。当混凝土热导率为2.3W/ (m·℃) 时, 在2200s时储热单元温度就能达到399℃。
石墨粉在混凝土中以弥散态存在, 可大致认为此时混凝土热导各向同性, 而在石墨强化传热模型中, 石墨片沿半径方向规则分布, 此时热导各向异性, 在半径方向热导率最大, 与储热热流方向一致, 这样石墨片导热得到充分利用。
5 结论
本文模拟了热导率不同引起的储热速度的变化, 储热速度随热导率变化明显, 热导率越大, 储热速度越快。设计了两种新的储热结构: (1) 钢管三角错排, 储热单元截面由正方形变为正六边形, 面积不变, 经模拟得传热性能略有提高。 (2) 在截面为正六边形6个顶点方向添加5%高热导率的石墨片, 经模拟得等效热导率提高了4.7倍, 与混凝土中加5%石墨粉相比, 等效热导率提高了一倍。
摘要：设计两种储热结构单元, 采用ansys动态模拟方法模拟了在储热过程中储热单元温度最低点温度与时间的关系。研究发现:热导率越大储热速度越快, 把钢管由平行排列改为三角错排, 储热单元截面则由正方形变为正六边形, 面积保持不变, 传热性能有所提高;在混凝土中加入5%石墨片强化传热, 等效热导率提高了4.7倍, 与加5%石墨粉的混凝土相比, 等效热导率提高了一倍。
关键词：储热混凝土,热导率,模拟
参考文献
[1]朱教群, 张炳, 周卫兵.显热储热材料的制备及性能研究[J].节能, 2007, (4) :32-34.
[2]Doerte Laing, Wolf-Dieter Steinmann, Rainer Tamme.Christoph Richter Solid media thermal storage for parabolic trough power plants[J].Solar Energy, 2006, 80 (10) :1283-1289.
[3]Rainer Tamme, Doerte Laing, Wolf-Deter Steinmann.Ad-vanced thermal energy storage technology for parabolic trough[J].Solar Energy Engineering, 2004, 126:794-800.
数值模拟在整车热管理中的应用 第2篇
数值模拟在整车热管理中的应用
整车热分析已经成为轿车开发中的`重要组成部分.通过Fluent软件进行热分析,可以评估轿车冷却系统的设计,同时预测重要零部件的工作温度,尽早发现因工作环境温度过高可能导致失效的零部件.对某车型热分析的结果和试验进行了对比.
作 者：周建军 杨坤 Zhou Jianjun Yang Kun 作者单位：上海汽车集团股份有限公司技术中心刊 名：上海汽车英文刊名：SHANGHAI AUTO年，卷(期)：“”(7)分类号：U4关键词：热管理 数值模拟 轿车
热模拟实验 第3篇
相机真空热试验的红外笼模拟方法研究
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