一种应用于颗粒相变储能材料热力学非连续算法制造技术

本发明专利技术提出一种应用于颗粒相变储能材料热力学计算的非连续算法，采用离散元方法，建立相变颗粒材料的数值模型；对相变颗粒材料的细观物理参数赋值，并给定数值模型的热力学边界条件；根据相变颗粒材料的相态，确定相变颗粒的热力学参数，采用傅里叶定律及热接触模型进行相变颗粒间的热传导计算；采用基于热力学焓方法的判断标准对单个颗粒的相变过程进行计算，对完成相变过程的颗粒材料进行更新相态下的热传导计算，直至满足计算终止条件，根据计算结果确定相变颗粒集合的宏观热力学参数，该算法可以实现相变颗粒系统热传导过程和相变过程的模拟，进而得到该系统的等效热力学参数，为相变材料颗粒储能系统的设计及应用提供有效依据。有效依据。有效依据。

A thermodynamic discontinuous algorithm applied to granular phase change energy storage materials

【技术实现步骤摘要】
一种应用于颗粒相变储能材料热力学非连续算法


[0001]本专利技术属于新能源应用
，具体涉及一种应用于颗粒相变储能材料热力学计算的非连续算法。

技术介绍

[0002]随着能源短缺和传统能源环境污染等问题日益严重，近年来可再生清洁能源的利用引起了世界各国的广泛关注。可再生能源应用方面的一个突出问题在于能源的产生与消耗之间存在时间和空间的不匹配，为解决这一问题需要发展相关蓄热技术。
[0003]太阳能作为可再生能源，其储存方式包括显热储存、潜热储存和化学储热等。潜热储存指利用材料在相变时（如从固态变为液态）吸入的潜热储能，与其他储能方式相比，具有储能密度高和温度变化范围小的优点。用于潜热储能的相变材料会被封装在不同形状的容器当中，保证其相态为液态时依然可以保持固定的形状。为了提高相变材料的热传导性能，需要采用一定手段增大相变材料导热面积与体积的比值，因此可以将大量胶囊法制备的小粒径相变颗粒材料组成填充床用于热量的储存。这种填充床热能储存系统已经被广泛应用在建筑供热和制冷、太阳能热储存和压缩空气能量储存等不同方面。
[0004]为了更加有效地对填充床热能储存系统进行设计和应用，需要发展合理的方法计算整个系统的传热过程，即对由相变储能材料组成的颗粒系统进行高效准确的热力学计算。目前已有的计算方法通常将由相变颗粒组成的填充床视为连续均匀的介质，通过有限元法或有限差分法求解热力学偏微分方程。显然，由相变颗粒组成的填充床是不连续介质，具有不均匀性和各向异性，有必要发展非连续的数值计算方法对其进行热力学计算。<br/>[0005]离散元方法自提出以来，已经被广泛应用到与颗粒材料相关的科学问题及工程应用当中。在颗粒系统的热力学计算方面，离散元方法同样取得了很好的效果，包括热传导过程的模拟以及等效热传导系数的确定等。但目前已有的离散热力学计算方法，仅能处理传统颗粒材料的传热问题，无法模拟相变颗粒材料的相变过程。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提出一种应用于颗粒相变储能材料热力学计算的非连续算法，该算法是基于热力学焓概念的离散热力学计算方法，可以实现相变颗粒系统热传导过程和相变过程的模拟，进而得到相变材料颗粒储能系统的等效热力学参数，为相变材料颗粒储能系统的设计及应用提供有效依据。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种应用于颗粒相变储能材料热力学计算的非连续算法，包括如下步骤：S1，采用离散元方法，建立相变颗粒材料的数值模型；S2，对相变颗粒材料的细观物理参数进行赋值，并给定数值模型的热力学边界条件；S3，根据相变颗粒材料的初始温度判断相变颗粒的相态，根据相态确定相变颗粒
的热力学参数，采用傅里叶定律及热接触模型进行相变颗粒间的热传导计算；采用傅里叶定律计算单位时间内两接触相变颗粒i和j之间传导的热量：其中为为接触热传导系数，为颗粒i的温度，为颗粒j的温度；相变颗粒i单位时间内的温度变化为，其中为相变颗粒i在单位时间内与周围接触相变颗粒间传递的热量，，N为与相变颗粒i产生接触的颗粒数量；为相变颗粒i的总热容，，、和分别为相变颗粒i的密度、比热容和体积；相变颗粒的粒径随温度发生变化，变化规律满足如下关系，其中为相变颗粒在参考温度时的初始粒径，为温度的改变量，为热膨胀系数；采用热接触模型计算两接触相变颗粒i和j之间的接触热传导系数，其中为两接触相变颗粒i和j之间的接触热阻抗系数，计算公式为：其中为接触角，是接触长度与颗粒粒径的比值；S4，采用基于热力学焓方法的判断标准对单个颗粒的相变过程进行计算；相变颗粒热焓的计算公式为：S5，对完成相变过程的颗粒材料进行更新相态下的热传导计算，直至满足计算终止条件；S6，根据计算结果确定相变颗粒集合的宏观热力学参数，宏观热力学参数为等效热传导系数，
等效热传导系数通过以下公式计算：其中为宏观温度梯度，通过采用最小二乘法使实际颗粒系统温度分布与宏观温度梯度差值取最小值得到；为平均热通量，通过提取系统边界处所有接触相变颗粒的信息获得：其中为位于边界处相变颗粒i传导的热量；为相变颗粒i与边界接触点的坐标。
[0008]其中，步骤S1中数值模型的参数包括，相变颗粒的形状、大小，相变颗粒集合的堆积密度、外观几何特征。
[0009]其中，步骤S2中的细观物理参数包括，相变颗粒的密度、杨氏模量、泊松比、相变温度。
[0010]其中，步骤S2中的热力学边界条件包括，相变颗粒的初始温度、边界处的绝热条件、边界输入输出热量与时间的变化关系。
[0011] 其中，步骤S3中的热力学参数包括，比热容 、热传导系数、潜伏热以及热焓。
[0012]其中，步骤S4中相变发生过程中颗粒的比热容及热传导系数需要根据相变颗粒的热焓值进行修正，比热容的修正方式如下：热传导系数的修正方式如下：。
[0013]其中， 步骤S5中计算的终止条件为达到温度平衡状态、达到系统吸收的总热量要求以及达到终止计算时间。
[0014]其中，步骤S4中相变颗粒由固态向液态转变的起始热焓量为，终止热焓量为，其中为相变颗粒的总热容，为相变颗粒固态最高温度，为潜伏热。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：可以克服传统热力学计算方法中的连续性假设，针对颗粒相变储能材料的离散特点进行有效模拟；可以得到储能系统中任意位置颗粒材料相变过程的信息，为储能结构设计提供指导；可以得到储能系统的宏观等效热力学参数，为其在不同领域能源储备应用中的设计规划提供依据。
附图说明
[0016]图1为算法流程图。
[0017]图2为相变颗粒材料储热器的数值模型。
[0018]图3为相变颗粒集合温度分布与时间的关系。
具体实施方式
[0019]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0020]将本专利技术方法应用于太阳能储热系统中相变颗粒材料热传导过程的模拟，算法流程如图1所示，具体的模拟过程如下：S1：采用离散元方法，建立相变颗粒材料储热器的数值模型如图2所示，储热器直径为500mm，高度为1000mm，相变颗粒材料为球形，直径为10mm，堆积密度为0.65，保证相变颗粒之间存在接触。
[0021]S2：定义相变颗粒的细观物理参数，相变颗粒的密度900、杨氏模量100、泊松比0.3，热力学边界条件设定为恒温边界，温度不随时间发生变化，设定储热器上边界的温度为100℃，下边界的温度为50℃。
[0022]S3：颗粒相变材料的初始温度为60℃，可以判断其初始相态为固态，因此相变颗粒的初始热力学参数，比热容，液态热传导系数，固态热传导系数，潜伏热。
[0023]采用傅里叶定律计算颗粒集合内任意两接触相变颗粒间传导的热量：其中为为接触热传导系数，为颗粒i的温度，为颗粒j的温度；相变颗粒i单位时间内的温度变化为，
其中为相变颗粒i在单位时间内与周围接触相变颗粒间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于颗粒相变储能材料热力学计算的非连续算法，包括如下步骤：S1，采用离散元方法，建立相变颗粒材料的数值模型；S2，对相变颗粒材料的细观物理参数进行赋值，并给定数值模型的热力学边界条件；S3，根据相变颗粒材料的初始温度判断相变颗粒的相态，根据相态确定相变颗粒的热力学参数，采用傅里叶定律及热接触模型进行相变颗粒间的热传导计算；采用傅里叶定律计算单位时间内两接触相变颗粒i和j之间传导的热量：其中为为接触热传导系数，为颗粒i的温度，为颗粒j的温度；相变颗粒i单位时间内的温度变化为，其中为相变颗粒i在单位时间内与周围接触相变颗粒间传递的热量，，N为与相变颗粒i产生接触的颗粒数量；为相变颗粒i的总热容，，、和分别为相变颗粒i的密度、比热容和体积；相变颗粒的粒径随温度发生变化，变化规律满足如下关系，其中为相变颗粒在参考温度时的初始粒径，为温度的改变量，为热膨胀系数；采用热接触模型计算两接触相变颗粒i和j之间的接触热传导系数，其中为两接触相变颗粒i和j之间的接触热阻抗系数，计算公式为：其中为接触角，是接触长度与颗粒粒径的比值；S4，采用基于热力学焓方法的判断标准对单个颗粒的相变过程进行计算；相变颗粒热焓的计算公式为：
S5，对完成相变过程的颗粒材料进行更新相态下的热传导计算，直至满足计算终止条件；S6，根据计算结果确定相变颗粒集合的宏观热力学参数，宏观热力学参数为等效热传导系数，等效热传导系数通过以下公式计算：其中为宏观温度梯度，通过采用最小二乘法使实际颗粒系统温度分布与宏观温度梯度差值取最小值得到；为平均热通量，通过提取系统边界处所有接触...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵婷婷，张晓琼，王志勇，张杰，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：