双翅片矩形相变储能单元蓄热性能实验研究

以双翅片矩形相变储能单元为研究对象,开展不同边界温度下（50℃、55℃、64℃、69℃、73℃）相变材料熔化过程的可视化实验,通过观察相变材料固液相变界面、温度和液相率变化分析储能单元内相变材料的熔化行为和传热规律,探究不同边界温度对储能单元蓄热性能的影响。研究表明：熔化后期储能单元内出现的熔化死角极大延长了蓄热时间,熔化死角用时比均大于30%;边界温度增加,固液相界面形状无明显变化,相变材料内温度分布及变化趋势相似,但固液相界面演化进程加快,自然对流加强,相变材料内温度分布不均匀性最大增加60%,相变温度最大增加2.9℃;边界温度从50℃提高至73℃时,完全熔化时间缩短510 min,且边界温度越低时(Fo)/(Ste)越大,表明在边界温度较低时,增加边界温度对相变材料的强化传热效果更明显。     

新型平底型相变蓄热器蓄热性能的数值模拟北大核心CSCD

为了解决相变材料低热导率所引起的换热效果差的问题,向相变材料中添加高导热的金属泡沫材料以加速固液相变过程、提升整体蓄热效率。然而,浮升力导致高温流体堆积在蓄热单元顶部,蓄热单元底部的相变材料较难熔化。为了改善底部难熔的现象,本工作在控制相变材料容积不变的前提下,以一定的比例切除蓄热单元底部,形成新型平底型相变蓄热器。通过数值模拟的方法,对蓄热单元熔化过程中的熔化率、蓄热量、熔化相界面、速度分布和温度分布进行分析。结果表明,新型平底型相变蓄热器能够有效减少底部难熔区域,从而提高蓄热器整体的蓄热效率。其中底部横切比为0.7时,完全熔化时间最短,比圆管缩短了18.12%。通过模拟结果的对比分析可以发现,去除底部相变材料减小了热源到蓄热器底部(难熔区)的距离,增强了熔化末期底部难熔区域的换热。在熔化末期,横切比为0.7的蓄热单元,在相界面处的流速比圆管的提高了2.10倍。说明底部横切强化了熔化末期蓄热单元底部的传热,减小了蓄热单元底部的低温区域,从而推动了整体的熔化进程。     

泡沫铜对相变蓄热系统蓄热性能影响的实验研究

石蜡作为一种有机固液相变材料,因其具有高潜热值、无毒、无腐蚀、性能稳定等优点被广泛应用于热蓄存、电子冷却及建筑温控等领域。但在蓄热过程中,因石蜡导热系数较低,导致蓄热时间过长、温差过大。实验按照1∶3的比例将泡沫金属铜均匀分布在石蜡箱体中,探究泡沫铜对石蜡相变速率的影响。结果显示:加入泡沫铜后,有效地提升了石蜡的相变速率,缩短了石蜡相变的时间;同时加入泡沫铜后,石蜡内部温差明显减小,温度分布更加均匀,并且有效缓解了自然对流造成的顶部过热和底部不熔化现象。     

金属泡沫内石蜡固液相变蓄热/放热实验

针对解决太阳能热利用过程中所面临的辐射强度不稳定、不连续和不均匀等关键问题,相变蓄热技术常与太阳能热利用系统耦合协同匹配,以实现稳定连续的热量输出.为了强化固液相变蓄热/放热过程、提高系统热储能效率,对金属泡沫内石蜡类相变材料(PCMs)在不同蓄热流体温度下的固液相变蓄热/放热特性开展了实验研究.设计并搭建了相界面可视...     

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。     

Numerical study on performance enhancement of latent heat storage unit

建立了考虑液态相变材料自然对流的壳管式相变蓄热单元的三维模型,数值分析了自然对流对相变蓄热过程的影响.对比研究了外侧强化传热管和双侧强化传热管对相变蓄热单元蓄热性能的强化效果.结果表明,液态相变材料的自然对流,会引起固-液界面分布不均匀现象,采用外翅片管可以有效削弱这一现象;采用外侧强化传热管和双侧强化传热管,都可以缩短相变材料完全熔化以及整个蓄热过程所需时间.与采用光管时相比,采用外侧强化传热管时,完全熔化时间减少了18.0%;采用双侧强化传热管时,完全熔化时间减少52.5%.可见,采用带有外翅片的强化传热管,不仅可以削弱自然对流引起的固-液界面不均匀性问题,而且可以强化相变蓄热单元的蓄热性能.     

蓄热式管壳换热器传热特性研究

针对热电联产机组供热期发电负荷受供热量限制,机组调峰能力下降、电力系统弃风弃光现象严重的问题,设计了一种新型蓄热式管壳换热器。利用相变材料蓄/放热过程中温度接近恒定、释放潜热量大等优点,选取石蜡为相变材料,换热器相变区作为换热单元,采用控制变量法,针对传热流体流速、相变材料导热系数及相变层厚度等关键因素,对换热单元的蓄/放热过程进行数值模拟。结果表明:提高传热流体流速可增强换热单元蓄热能力,缩短相变材料完全熔化时间,放热过程中为保证换热器输出端热量,应适当选取传热流体流速;使用复合材料提高相变材料导热系数能够增强换热单元的换热能力,在相同传热流体流速下使换热单元平均传热系数较纯石蜡工况提升2倍以上;增加相变层厚度在放热过程中可延长传热流体出口温度维持的时间。     

太阳能单罐相变蓄热系统实验测试和数值模拟研究

太阳能的高效利用是解决能源短缺和环境污染问题的主要手段之一。文章基于太阳能相变蓄热系统,建立带有辅助热源的太阳能单罐相变蓄热系统实验台,并利用该实验台对相变材料(融点为48~50℃的石蜡)进行热能存储实验。实验结果表明:加热12 min后,顶层石蜡温度达到140℃以上,并且融化完全;加载完成后,中层石蜡的最高温度为63℃;静置2 h后,储能罐中的石蜡开始放载,最后均匀混合,顶层、中层和底层石蜡的温度均达到42℃。文章在实验结果的基础上,利用Fluent软件对太阳能单罐相变蓄热系统内相变材料(石蜡和熔融盐)的换热过程进行数值模拟,模拟结果表明,在相同时间内,当采用石蜡作为相变材料时,太阳能单罐相变蓄热系统的换热效率较高。     

泡沫铜强化石蜡相变蓄热特性的数值分析

通过构建泡沫金属内固液相变传热模型,对方腔蓄热单元中泡沫铜强化石蜡相变蓄热特性进行数值分析。数值模型采用考虑泡沫金属真实结构的等效导热系数通用模型,并兼顾石蜡在融化前后与金属骨架之间的热非平衡效应。通过求解模型得到方腔内石蜡固液界面演化规律与温度分布,进而对蓄热过程进行火用分析。结果表明:当前数值模型能较好地预测泡沫铜内固液相变传热;泡沫铜显著改善了石蜡相变的空间均匀性,减小了蓄热区温度梯度,使蓄热速率和火用效率得到有效提高。     

相变蓄热装置内部温度场的理论与实验研究

对螺旋盘管相变蓄热装置性能和相变材料 (PCM)的传热特性开展理论和试验研究,建立相变蓄热装置物理和数学模型,对蓄热温度场进行了数值模拟和实验测试。结果表明 ：自然对流换热对PCM的熔化过程影响很大,当考虑自然对流时,相变蓄热速率加快,相变分层现象明显;实验实测温度与模拟温度相近,说明所建立的模型适用于相变装置内部温度场的模拟。     

用于储存太阳能的相变蓄热器蓄热性能研究

利用计算流体力学软件Fluent的凝固/熔化模型,模拟了用于储存太阳能的两种相变蓄热器的蓄热过程,得到了蓄热过程中相变区的温度云图,分析了两种蓄热器的蓄热能力和传热方式。研究结果表明,合理增加内管数量可以提高相变过程中的对流换热强度和蓄热能力。     

槽式太阳能集热与相变蓄热耦合模型(Ⅱ):性能优化

在采用两级组合相变蓄热材料的基础上,利用已建立的槽式太阳能集热单元和蓄热单元的1-2维混合模型,对组合相变材料蓄热性能进行优化研究。研究结果表明,受所选相变材料热物性的影响,随PCM1比例增大,蓄热速率减慢,总蓄热量增加;随传热流体质量流量增大,相变材料完全融化时间缩短,当质量流量大于0.5 kg/s后,质量流量对蓄热性能的影响减小;随相变材料初始温度升高,总蓄热量减小,熔化时间和达到最大蓄热量时间基本不变,对蓄热性能影响不大。     

高温熔盐相变蓄热材料

高温蓄热技术是太阳能热动力发电系统的关键技术之一,通常利用相变材料(PCM)固液相变时的熔化潜热来蓄热。在轨道的日照期,聚能器将截取的太阳能聚集到吸热器圆柱形腔内,被吸收转化成热能,其中一部分热能传递给循环工质以驱动热机发电,其余的热能被封装在单元换热管上多个小容器内的PCM吸收储存起来,此时PCM部分或全部变为液态。在轨道的阴影期,小容器内的PCM部分或全部变为固态,储存的能量被释放出来,使出口的循环工质温度仍能维持在循环所要求的最低峰值温度上。保证空间站处于阴影期时热机仍能连续工作,保证连续供电。太阳能利用中…     

卧式套管潜热蓄热单元偏心与肋片结构优化模拟

利用偏心布置增强相变蓄热单元内部自然对流是提高相变蓄热系统性能的新思路,为了更深入地研究偏心布置对相变蓄热系统性能的影响,基于焓-孔隙率法建立了卧式套管相变蓄热单元的三维数学模型,并利用Fluent软件对环形空间相变材料熔化过程进行数值模拟,通过对熔化过程流场、液相率及温度云图的分析,将熔化过程划分为三个阶段：导热主导的初始阶段,随后是自然对流和导热的混合作用的阶段,以及导热再次占主导地位的最终阶段,并将相变材料环形空间划分为两个区域,据此提出新的评价参数“偏心面积比”。结果表明：硬脂酸作为相变材料时较佳的偏心面积比位于16∶1附近,熔化时间相对于同心布置缩短了45.8%,但同时会使蓄热单元?效率略有降低,并且预测对于其他材料,预期的最佳偏心面积比与使用材料的自然对流强度和导热能力之间的比值有直接相关。利用偏心结构与肋片结合的方法进一步强化传热,比较了螺旋肋、十字肋和X形肋三种肋片,发现X形肋具有较佳性能,与相应偏心无肋结构相比熔化时间缩短了36.7%,比螺旋肋和十字肋结构分别缩短了20.3%和7.1%。     

新型板式相变单元蓄热特性的理论及实验研究

在太阳能储能装置中，保持相变储能单元组配灵活性不受影响的同时，为了增强板式相变单元的蓄热性能，对普通的矩形板式单元进行结构优化，设计了新型的梯形体单元，并利用理论分析得到了最优梯形体结构的理论解。将理论分析结果进行实验验证，研究表明：设计出的新型梯形体板式单元不仅能充分利用相变材料本身的熔化特性提升储能装置的蓄热性能，还能提高空间利用率。在研究范围内，换热流体流速的增大和温度的增加可有效地提高单元的换热效率，其中，流速为0.12 m/s时最优梯形体单元比之矩形单元的蓄热性能提升最明显。     

组合式高温相变蓄热器蓄热过程的数值模拟

通过对相同管径蓄热管组成的高温相变蓄热器蓄热过程进行模拟,得到了蓄热过程中相变材料(PCM)温度和液相率随时间的变化曲线以及不同时刻液相率的分布云图。针对温度曲线和云图所显示的问题,在保证蓄热量的前提下,提出了蓄热管组合式排布的设计方案,并对其蓄热性能进行了模拟。研究结果表明,采用所提出的组合式方案有效地减少了蓄热时间,降低了"死区"对蓄热器蓄热性能的影响,使PCM的液相率分布更加均匀,可为用于太阳能热发电的高温相变蓄热器的优化设计提供理论依据。     

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     

固-固相变蓄热材料在太阳能高温空气集热系统中的应用研究

为利用太阳能获得稳定持续的高温空气工质,除了有效集热外,还需要解决因太阳辐射强度变化导致输出工质温度波动的问题。在性能优良的太阳能集热系统中采用蓄热技术是解决此问题的有效途径。根据给定的设计目标,研究将固-固相变蓄热材料季戊四醇应用到太阳能集热蓄热一体化的实验装置中。实验结果表明:按集热蓄热一体化思路设计的实验装置,集热单元能够输出最高温度超过220℃的高温空气,蓄热单元能够将高温空气的温度稳定在蓄热材料的相变温度附近。并且随着蓄热管级数的增加,空气出口温度稳定的时间就越长,为利用太阳能获得稳定持续的高温热媒工质奠定了基础。     

槽式太阳能集热与相变蓄热耦合模型(Ⅰ):模型验证及性能分析

建立槽式太阳能集热与相变蓄热耦合模型,开发数值模拟程序。研究一日中太阳辐射强度非稳态变化引起的集热器出口工质温度波动对相变蓄热单元蓄热性能的影响规律;并进一步对比分析单一相变材料和2级组合相变材料对蓄热性能的影响。结果表明,蓄热速率随时间呈现先减小、再增大、然后再次降低的变化规律,总蓄热量存在一个最大值。单一相变材料在14∶18时完全熔化,总蓄热量在16∶00时达到最大值;组合相变材料在13∶45时完全熔化,总蓄热量在15∶14时达到最大值。采用组合相变材料可以提高蓄热速率。     

太阳能相变蓄热复合土壤源热泵系统的研究

叙述了以太阳能相变蓄热装置蓄热,且与蒸发器进口处换热的辅助热泵系统,用20号蓄热专用石蜡,通过板式换热器与蒸发器进水管进行热量传递的实验。指出,利用太阳能集热器在白天升高蒸发器侧的温度提高热泵效率,利用储存在蓄热装置中的热量夜晚可对蒸发器的进水增温,以此实现太阳能相变蓄热装置与复合土壤源热泵系统的良好结合,提高整个系统的供热效率。