梯级相变蓄热技术的研究现状及展望

相变蓄热技术具有相变过程温度变化小、蓄能密度大等优点,成为蓄热技术的研究焦点。作为相变蓄热技术研究热点之一的梯级相变蓄热技术能有效地强化传热,提高相变装置的充放热速率,具有广泛的应用背景。通过介绍梯级相变蓄热技术的工作原理和国内外的研究现状,提出了梯级高温相变蓄热装置亟待解决的关键问题,分析展望了梯级相变蓄热技术的应用前景。     

梯级相变蓄热装置蓄放热性能模拟研究

文章设计了包含多种蓄热材料的梯级相变蓄热装置,建立了该装置蓄放热过程的数学模型,模拟并对比了单级、梯级相变蓄热装置在相同工况下的蓄热量、有效能利用率、液相率、传热热流密度等性能的差异。在相同工况下,与单级硬脂酸相变蓄热装置相比,梯级相变蓄热装置的蓄热量提高16.9%,有效能利用率提高10.1%,蓄热/放热平均热流密度分别提高97.6%,64.9%,蓄热/放热用时分别缩短50.5%和39.2%。梯级相变蓄热装置的蓄热用时随传热流体进口流速的增加呈现先下降后上升的趋势。梯级相变蓄热装置的蓄热用时长短受传热流体进口流速工况的影响。     

相变材料蓄热过程强化的数值模拟研究

采用焓-多孔介质法,分别对内嵌针状翅片以及填充多孔泡沫金属的相变热沉装置内相变材料的熔化过程进行三维数值模拟,分析不同加热热流、翅片数量、间距、高度对蓄热过程的影响,对比内嵌翅片和填充多孔泡沫金属的热沉装置的蓄热能力。结果表明,随着热流密度的增加,蓄热速率明显加快,蓄热时间缩短。随着翅片数量的增多,相变材料的导热能力得到明显改善。翅片排布过于稀疏或紧密,导热能力的强化效果都不如均匀排布时明显。随着翅片高度的增加,相变材料的导热能力有明显的提升。通过比较发现,多孔泡沫金属对蓄热速率的强化效果比针状翅片更加明显。     

管翅式相变蓄热器性能的实验研究

为了改善光管螺旋式相变蓄热器的蓄放热效果,在圆管上加装了矩形翅片,并通过选择复合体系的相变蓄热材料,实验研究了翅片螺旋式相变蓄热器的蓄热特性。实验结果表明:以80%Na2SO4·10H2O+20%Na2HPO4·12H2O的复合体系为蓄热介质,矩形翅片螺旋相变蓄热器的蓄热速度比光管式蓄热器提高了1/3,蓄热时间缩短了1/3,具有良好的蓄放热性能。     

新型管壳式相变蓄热器的设计与数值模拟

设计了新型具有内外双螺旋结构的翅片管式蓄热换热器,通过Gambit软件建立三维蓄热体相变蓄、放热过程的物理模型和数学模型,运用Fluent软件对换热器的蓄、放热过程进行模拟。研究表明新型换热器的蓄、放热效率要比光管、仅有外螺旋翅片以及仅有内螺旋翅片的换热器高。最后对相变材料和外螺旋翅片的间距进行了优化,结果得出添加0.5%膨胀石墨/石蜡的复合相变材料要比纯石蜡蓄热时间缩短34%,翅片螺距对蓄热器的蓄热性能有重要的影响。     

套管式相变蓄热器强化传热研究

蓄热技术可有效解决热能供给与需求在时间和强度上不匹配的矛盾,提高能源利用率。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,通过添加翅片使相变材料融化过程节省时间66.67%;增加翅片长度能够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,使凝固过程节省时间73%。     

基于ANSYS的日光温室复合相变保温墙体的模拟研究

复合相变保温砂浆可作为内保温砂浆与日光温室墙体组成复合相变保温墙体,为温室生产提供热能。通过对日光温室相变墙体相变传热过程的数值模拟研究,可较好地掌握其蓄放热特性,为日光温室应用复合相变材料提供理论支持。该文利用ANSYS有限元分析软件模拟研究日光温室复合相变保温墙体的传热过程,数值模拟结果表明:50 mm复合相变保温砂浆与490 mm砖墙组成的复合相变保温墙体和30 mm复合相变保温砂浆与240 mm加气混凝土砌块墙组成的复合相变保温墙体都具有较强的蓄放热能力,两者的持续蓄热时间均为8 h,持续放热时间分别为16和13 h,这2种复合相变保温墙体均适合于冬季温室生产。     

Research progress on heat transfer enhancement technology of phase change energy storage

相变储能是通过相变材料吸/放热过程来实现能量储存的技术,它能够解决热量供需时间、空间和强度上的不匹配,并以其高储能密度成为储能领域的研究热点,但由于相变材料的热导率较低,使其应用受到限制。针对相变储能材料熔化/凝固过程中热导率低引起的传热速率慢的问题,从优化储能设备结构、添加剂提高相变材料热导率以及联合强化传热技术三方面综述国内外相变材料储能强化传热技术的最新进展。通过比较各种强化传热方式的优劣,实验和模拟均显示复合强化传热即可解决相变材料热导率低,又增大传热面积,从而提高相变材料的传热性能;多孔金属作为导热添加剂增强导热效果更好;并提出了相变储能强化传热技术未来需要解决的相关技术难题。     

三套管式相变蓄热器强化传热研究

基于三套管式相变蓄热器的特点,提出应用T字形翅片来强化相变蓄热器的传热性能。研究结果表明:添加翅片可有效地降低蓄热器中相变材料的凝固和融化时间,直翅片和T字形翅片的混合强化结构能使凝固过程比未强化结构节省74%的时间,使融化过程节省60%的时间。因此直翅片和T字形翅片的混合使用可以达到进一步强化传热的目的。     

强化太阳能相变蓄热技术的研究进展

为解决太阳能的间歇性问题,常将其与相变蓄热技术进行结合。与传统显热蓄热相比,相变蓄热可将蓄热能量提高数倍以上,具有巨大的研究和应用价值。本文总结分析了相变蓄热的传热机制及在强化太阳能相变蓄热技术上的研究手段,如变换蓄热结构、添加肋片、使用相变胶囊、充注多相变材料、蓄热材料中添加高导热物质等。分析结果显示,相变传热机制中,融化过程主要考虑对流换热,凝固过程热传导占主导;使用肋片、相变胶囊等,主要增大相变材料接触面与蓄热体的比值,进而改善传热;蓄热材料添加高导热物质,可以改善相变材料的团聚、结核及使用寿命,从而提高导热性能,其中添加泡沫金属效果最为显著。     

矩形翅片管糖醇相变储热器传热性能分析

对糖醇基矩形翅片管相变储热器传热性能进行数值模拟与实验研究,利用数值模型研究传热流体入口温度、流量以及储热器翅片间距、管间距等参数对充放热性能的影响。研究表明：从运行参数看,由于相变材料导热系数的影响,翅片强化区外流体入口温度与材料相变温度的温差对充放热速率呈正相关;在管内湍流条件下,管内流速在高于0.53 m/s时,不能显著提升储热器的充放热速率;从结构参数看,增加翅片可显著提升翅片区内充放热速率,翅片间距小于10 mm和管间距小于52.5 mm对充放热速率影响不明显。     

翅片式相变储能器内赤藻糖醇蓄热性能研究

为了研究翅片对赤藻糖醇(C_4H_(10)O_4)蓄热过程传热特性的影响,选取赤藻糖醇作为相变材料,首先利用实验方法验证数值模型的准确性,其次采用焓-多孔介质的方法对相变储能单元进行仿真计算,主要研究了翅片,以及翅片长度、翅片数量和翅片厚度等几何参数对蓄热过程中传热特性的影响。研究结果表明:添加翅片后,在翅片区域形成不同尺寸的涡,改善了流场分布,增强了液态相变材料自然对流的效果,使储能装置总蓄热时间比无翅片缩短了43%;在翅片参数的设计中,增加翅片长度可以有效缩短总蓄热时间,随着翅片长度的增加,总蓄热时间变化率减小;随着翅片数量的增加,换热面积增大,熔化速率增大,总蓄热时间缩短;随着翅片厚度的增加,储能速率加快,总蓄热时间缩短,且翅片厚度越厚,总熔化时间的变化率越大。     

管壳式换热器蓄热单元数值模拟与优化

相变材料导热系数低,导致相变蓄热装置无法快速地进行热量储存和释放,文中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。结果表明:在光管外壁添加翅片可以缩短相变材料完全熔化以及整个蓄/放热过程所需时间;与采用光管结构相比,采用翅片换热管时,完全熔化时间缩短32%,完全放热时间缩短14.5%。可见,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。     

新型相变蓄热式太阳能集热管及热性能研究

结合太阳能真空集热管和相变蓄热材料的特点,提出了一种集热/蓄热一体化的新型相变蓄热式太阳能集热管,该集热管主要由金属-玻璃真空集热管、螺旋换热管和相变蓄热材料组成。通过室外蓄放热性能实验进行性能测试,结果表明:该新型相变蓄热式太阳能集热管集热效果良好,集热温度可达80℃以上,可很好地应用于热水供暖领域;以石蜡为相变蓄热材料,单根集热管的蓄热量可达3.25 MJ;放热过程中,有效得热量为873.6 kJ,放热损耗率为0.602;在保温性能上,温降率达1.67℃/h,保温性能待进一步提高。     

热管式蓄冷器的设计与热动力学分析

为强化相变蓄冷材料传热,将脉动热管技术与相变蓄冷技术相结合,设计一套脉动热管相变蓄冷装置。采用脉动热管可强化传热,提高形核率,加快结晶速率,减少蓄冷时间。该装置将脉动热管蓄冷装置与相变材料相耦合,使脉动热管相变蓄冷器的传热得到强化。相变蓄冷系统的蓄放冷性能与相变材料的相变过程、传热方式密切相关,本研究对脉动热管传热机理进行探析,建立了精确、通用性较高的理论模型,揭示了传热机理,为脉动热管蓄冷装置的模拟和实验提供指导。     

壳管式梯级相变蓄热装置内部结构参数的优化研究

梯级相变蓄热技术具有蓄放热平稳、储能密度大、易于控制、能有效克服相变材料导热系数低等优点,是最具应用前景的蓄热技术。壳管式蓄热装置是常用的蓄热装置,需要对其结构参数进行研究优化。采用焓法对壳管式梯级相变蓄热装置的相变过程进行了数值模拟,分析了梯级装置内管径和分管长对装置储热性能的影响。并以提高蓄热效率为优化目标,对参数进行了优化。对壳管式梯级相变蓄热装置的结构参数选择具有借鉴意义。     

管壳式相变蓄热器热性能分析及结构优化

针对管壳式相变蓄热器换热速率较慢的问题,建立多管束大空间相变蓄热器模型数值模拟的研究换热管排列方式及翅片参数对换热效果的影响。通过观察温度和速度场、固液相界面、Nu及液相分数与时间的关系,分析蓄/放热传热过程。研究结果表明：采用正三角排列可增强换热管间热扰的影响,提高相变材料(phase change material, PCM)熔化速率;蓄热过程中传热以自然对流为主,放热过程中传热以导热为主;合理调整不同位置换热管节距,可改善蓄热器温度分布均匀性;适当增加翅片数量及高度有利于提高PCM换热速率,蓄热器最佳翅片数量为8组,高度为25 mm。     

纳米铝粉/石蜡/膨胀石墨复合相变材料的制备及性能研究

将具有导热系数高,与石蜡相容性较好特点的纳米铝粉加入到液体石蜡中,形成纳米铝粉/石蜡流体,利用膨胀石墨特有的网络状孔隙结构以及对石蜡的高吸附性能,制备出了纳米铝粉/石蜡/膨胀石墨复合相变材料,解决了纳米铝粉在液体石蜡中容易发生团聚和沉降的问题,并通过实验研究了其热物性能。研究结果表明:当石蜡与膨胀石墨质量百分比例为93/7,加入纳米铝粉的质量分数低于3%时,膨胀石墨可以稳定的吸附纳米流体,经反复循环蓄、放热,纳米流体不会出现泄漏问题,且对复合相变材料的体积和蓄热能力没有影响;膨胀石墨的网络状孔隙结构可以抑制纳米铝粉的团聚现象,但随着纳米铝粉含量的增加,纳米颗粒仍会发生团聚现象,复合相变材料的导热系数,蓄、放热速度均呈非线性增加。应控制纳米铝粉的加入量,当纳米铝粉质量分数为2%时,纳米铝粉颗粒未发生明显团聚现象,复合相变材料的热性能较好。     

固液相变蓄热技术的研究进展

综述了相变蓄热材料、相变传热问题求解方法、典型相变传热过程以及相变潜热蓄热系统(LHTES)优化设计及强化传热等诸多固液相变蓄热技术相关问题的研究进展情况     

Thermal conductivity of metal-phase change materials--A review

基于相变储热材料存在导热系数低的问题,研究者利用金属导热系数高的特点,与相变储热材料复合,通过理论分析,数值模拟,实验研究三方面来研究复合相变材料导热性的变化,金属与相变储热材料复合后,显著提高了相变储热材料的热导率,但同时对储热装置的储热能力以及自然对流等性能又具有一定的抑制作用.文章综述了近年来国内外学者对金属复合相变储热材料导热性的研究进展,分析了多孔泡沫金属,金属颗粒,纳米颗粒,金属矩阵等几种主要强化方法,并探讨了今后相关方面的研究重点,提出泡沫金属和纳米颗粒对相变储热材料热导率强化的优点,同时应加强这两方面的理论研究,开拓其在市场上的应用.