泡沫金属铜/石蜡相变蓄热过程的数值模拟

在装有纯石蜡的相变蓄热箱中加入泡沫金属铜，利用Fluent软件，模拟研究石蜡相变蓄热箱在加入泡沫金属铜后，箱内石蜡温度分布的均匀性、稳定性及相变蓄热的变化规律。模拟结果显示，泡沫金属铜的加入，大大提高了石蜡的蓄热性能，缩短了石蜡相变的时间；且加入泡沫铜后，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。数值模拟结果与实验测试数据平均误差15.7%，与实测值吻合较好。     

泡沫金属强化石蜡相变蓄热过程可视化实验

相变材料的低热导率是限制潜热蓄热广泛应用的重要原因。将相变材料石蜡真空条件下注入到泡沫金属铜内制备泡沫金属铜-石蜡复合相变材料,通过铜的高热导率及高孔隙材料的大面体比来强化相变换热过程。采用DSC示差扫描量热法对石蜡进行热物性测量获得准确的石蜡相变温度及相变潜热。以管壳式相变蓄热结构为对象,提取对称结构进行可视化设计,对比纯石蜡及泡沫金属铜-石蜡复合材料在相同运行条件下的相变过程,追踪二者熔化过程的相界面位置随时间的演化过程并布置热电偶准确测量材料内部的温度分布。结果显示加入泡沫金属后的复合材料的内部温差明显减小,温度分布均匀,蓄热热通量显著增大,有效缩短相变时间并缓解了自然对流造成的顶部过热和底部不熔化现象。     

相变蓄热电采暖结构模拟研究

相变蓄热层是相变蓄热电采暖结构的核心层,蓄热层中的储能材料以显热或相变的方式吸收,当一定的时间温度降到相变点,通过交换介质以导热、对流和辐射的方式将储存的热量释放给热用户。本实验将探究相变热过程中的理论蓄热、散热,先在GAMBIT软件中进行几何建模,网格划分,边界设定,完成模拟前处理。运用Fluent软件模拟蓄热层为纯石蜡微胶囊、蓄热层为泡沫金属铜/石蜡微胶囊复合相变材料的蓄热过程。结果表明,蓄热层中添加泡沫金属铜与石蜡微胶囊,强化了传热效果,解决了石蜡微胶囊导热率低的问题。与纯石蜡微胶囊对比,加快了相变响应时间,同时,导热效果更加明显。     

环形管填充金属泡沫强化相变蓄热可视化实验

针对管壳式相变蓄热器中换热基本单元——换热管开展了强化换热研究，通过在相变材料侧添加金属泡沫以强化蓄热。为了探索金属泡沫对相变蓄热过程强化的效果，设计搭建了相界面可视化的相变蓄热实验台，采用高清摄像机记录换热管内外侧相界面变化过程；通过在径向和轴向布置热电偶以获取相变过程的实时温度响应。测量了流速0.15 m·s^-1下光管和金属泡沫管的蓄热过程，实验结果表明：在相同实验条件（初温、入口流量/温度）下，添加金属泡沫能明显提高蓄热效率，达到相同蓄热效果下纯石蜡管所需时间是金属泡沫管的2.9倍；添加金属泡沫后各测点的温度响应速率均高于对照组，各测试点的温差更小且变化更均匀。     

环形管填充金属泡沫强化相变蓄热可视化实验

针对管壳式相变蓄热器中换热基本单元——换热管开展了强化换热研究,通过在相变材料侧添加金属泡沫以强化蓄热。为了探索金属泡沫对相变蓄热过程强化的效果,设计搭建了相界面可视化的相变蓄热实验台,采用高清摄像机记录换热管内外侧相界面变化过程;通过在径向和轴向布置热电偶以获取相变过程的实时温度响应。测量了流速0.15 m·s~(-1)下光管和金属泡沫管的蓄热过程,实验结果表明:在相同实验条件(初温、入口流量/温度)下,添加金属泡沫能明显提高蓄热效率,达到相同蓄热效果下纯石蜡管所需时间是金属泡沫管的2.9倍;添加金属泡沫后各测点的温度响应速率均高于对照组,各测试点的温差更小且变化更均匀。     

平板微热管阵列-泡沫铜复合结构相变蓄热装置蓄放热特性

相变蓄热技术是节能减排的一个重要手段,在太阳能利用、余热回收和电力削峰填谷等领域发挥重要的作用。设计了以平板微热管阵列-泡沫铜复合结构为基础,多孔扁管为载热流体通路,水为载热介质,石蜡为相变材料的热管式蓄热装置。通过实验研究了蓄放热过程中装置内部石蜡的温度分布情况,不同载热流体温度和流量下的蓄放热功率变化,以及装置蓄放热效率等特性。实验结果表明,平板微热管阵列-泡沫铜复合结构可以使箱体内石蜡温度分布更加均匀;增加载热流体和相变材料的温差以及增大流量都可以提高蓄放热功率。实验条件下,该装置的最大蓄热功率为1.24 kW,最大放热功率为1.43 kW。装置蓄热效率为92%,放热效率为94%,总效率为87.4%。     

平板微热管阵列-泡沫铜复合结构相变蓄热装置蓄放热特性

相变蓄热技术是节能减排的一个重要手段,在太阳能利用、余热回收和电力削峰填谷等领域发挥重要的作用。设计了以平板微热管阵列-泡沫铜复合结构为基础,多孔扁管为载热流体通路,水为载热介质,石蜡为相变材料的热管式蓄热装置。通过实验研究了蓄放热过程中装置内部石蜡的温度分布情况,不同载热流体温度和流量下的蓄放热功率变化,以及装置蓄放热效率等特性。实验结果表明,平板微热管阵列-泡沫铜复合结构可以使箱体内石蜡温度分布更加均匀;增加载热流体和相变材料的温差以及增大流量都可以提高蓄放热功率。实验条件下,该装置的最大蓄热功率为1.24 kW,最大放热功率为1.43 kW。装置蓄热效率为92%,放热效率为94%,总效率为87.4%。     

开孔泡沫铝内石蜡融化相变过程的可视化实验研究

采用光学显微与红外热成像技术对开孔泡沫铝内石蜡的融化相变过程进行了可视化实验,更加直观地考察泡沫铝强化石蜡传热性能,并重点分析泡沫金属微观孔隙结构下石蜡融化界面演化、融化液相流体流动及温度分布特征。研究结果表明:相变材料中填充泡沫金属可有效降低导热热阻、强化相变传热;与纯石蜡系统相比,石蜡/泡沫铝复合材料系统温度分布更加均匀,具有更好的热响应性能。与纯石蜡系统存在明显的融化前沿界面相比,石蜡/泡沫铝复合系统中融化区与非融化区交错分布,融化界面相对模糊。此外,实验还观测到泡沫铝内石蜡融化液相中存在大量片絮状悬浮物现象。     

开孔泡沫铝内石蜡融化相变过程的可视化实验研究

采用光学显微与红外热成像技术对开孔泡沫铝内石蜡的融化相变过程进行了可视化实验,更加直观地考察泡沫铝强化石蜡传热性能,并重点分析泡沫金属微观孔隙结构下石蜡融化界面演化、融化液相流体流动及温度分布特征。研究结果表明：相变材料中填充泡沫金属可有效降低导热热阻、强化相变传热;与纯石蜡系统相比,石蜡/泡沫铝复合材料系统温度分布更加均匀,具有更好的热响应性能。与纯石蜡系统存在明显的融化前沿界面相比,石蜡/泡沫铝复合系统中融化区与非融化区交错分布,融化界面相对模糊。此外,实验还观测到泡沫铝内石蜡融化液相中存在大量片絮状悬浮物现象。     

高孔隙率泡沫铜强化相变材料熔化特性

为了研究纯石蜡与泡沫铜/石蜡相变复合材料吸热熔化性能的不同,探究泡沫铜对石蜡熔化换热过程的影响,本文对纯石蜡和孔隙率为0.98的高孔隙率泡沫铜/石蜡复合材料的相变熔化过程进行了可视化实验研究,并数值模拟分析了纯石蜡及泡沫铜/石蜡复合材料熔化过程。结果表明：复合材料与纯石蜡的液相率变化出现交点,即临界液相率值,此时复合材料具有的液相占比与纯石蜡液相占比相同;泡沫铜的填充能明显改善纯石蜡传热系数低的问题,加快相变材料的整体熔化速率,当热通量为1200W/m²时,孔隙率为0.98的泡沫铜填充使纯石蜡完全熔化时间缩短了约12.5%,并使整体温度分布更均匀,改善热分层现象,且复合材料最大温差比纯石蜡最大温差低约27.5K。     

泡沫金属在熔盐相变蓄热中的强化传热特性

搭建了熔盐蓄热特性实验平台，开展相变蓄热过程传热特性实验研究。建立了蓄热容器二维轴对称、瞬态固液相变数学模型，相变过程模拟采用Solidfication & melting模型，相变区域采用Boussinesq近似，对比了纯硝酸盐蓄热工况和填加泡沫金属后蓄热工况数值模拟结果。采用实验与数值模拟相结合的方法，重点分析了泡沫金属对熔盐蓄热过程的强化传热作用。结果表明，填加泡沫金属能够有效提高熔盐换热速率，泡沫金属孔隙率越小强化蓄热效果越显著。泡沫铜的热导率较高，相对于泡沫镍和泡沫铝有更好的强化传热效果，蓄热速率是纯硝酸盐蓄热的1.6倍。在相变蓄热后期自然对流换热占主导地位，此时泡沫金属会抑制自然对流。同时，填加的泡沫金属越靠近容器中心位置，对自然对流抑制作用越强，蓄热性能越差。     

组合相变材料强化固液相变传热可视化实验

采用高清相机和红外热像技术，对组合相变材料融化-凝固循环过程与传热特性开展了可视化实验研究。以填充三种石蜡的相变蓄热腔体为研究对象，追踪了腔体内固液相界面的动态演化过程和温度分布的变化规律。在此基础上，考察了相变材料布置顺序对蓄热腔体热性能的影响，分析了组合相变材料蓄热腔体的相变行为及强化传热特性。结果表明，相变温度较高的相变材料应靠近加热壁面布置；组合相变材料蓄热腔体存在多个固液相界面现象，不同相变材料可同时融化/凝固；与单一相变材料相比，组合相变材料的应用改善了蓄热腔体各单元相变速率的均匀性，提高了平均相变速率；组合相变材料虽然降低了蓄热腔体的显热蓄热量，但减小了温度变化速率，增强了系统的稳定性，并显著增加了潜热蓄热量，有效提高了相变蓄热腔体的总蓄热量。     

组合相变材料强化固液相变传热可视化实验

采用高清相机和红外热像技术,对组合相变材料融化-凝固循环过程与传热特性开展了可视化实验研究。以填充三种石蜡的相变蓄热腔体为研究对象,追踪了腔体内固液相界面的动态演化过程和温度分布的变化规律。在此基础上,考察了相变材料布置顺序对蓄热腔体热性能的影响,分析了组合相变材料蓄热腔体的相变行为及强化传热特性。结果表明,相变温度较高的相变材料应靠近加热壁面布置;组合相变材料蓄热腔体存在多个固液相界面现象,不同相变材料可同时融化/凝固;与单一相变材料相比,组合相变材料的应用改善了蓄热腔体各单元相变速率的均匀性,提高了平均相变速率;组合相变材料虽然降低了蓄热腔体的显热蓄热量,但减小了温度变化速率,增强了系统的稳定性,并显著增加了潜热蓄热量,有效提高了相变蓄热腔体的总蓄热量。     

高孔密度下泡沫铜的填充率对石蜡融化传热机理的影响

基于石蜡和高孔密度的泡沫铜制备了复合相变蓄热材料,设计并搭建了一套可视化蓄热实验装置,分析了高孔密度下泡沫铜填充率对石蜡相变过程的强化传热机理,得到了复合相变蓄热材料的综合传热系数。实验结果表明,当泡沫铜填充率为0、0.43%、1.29%和2.15%时,复合相变材料的综合传热系数先减小后增大,分别为1.26W/(m·K)、1.18W/(m·K)、1.44W/(m·K)和1.88W/(m·K),因此随着泡沫铜填充率的增加,复合相变材料的融化时间先增长后缩短。此外,随着泡沫铜填充率从0.43%增至2.15%,复合相变材料融化时传热机制中导热占比从17.26%上升到86.01%,自然对流占比从82.74%下降到13.99%。     

TPMS多孔铝-石蜡复合相变材料蓄热过程数值模拟及实验

传统相变材料受限于自身热导率小,其相变蓄热效率难以提升,通过在相变材料中添加具有高热导率的金属多孔结构是强化传热的重要手段之一。本文建立了三周期极小曲面（triply periodic minimal surface,TPMS）多孔铝-石蜡复合相变材料的三维、瞬态包含自然对流的相变蓄热模型,利用数值仿真结合实验的方法研究了TPMS多孔铝-石蜡复合相变材料在蓄热过程中的固液相界面演变规律、实时温度变化、热传输特性以及蓄热性能。结果表明,在纯石蜡中添加primitive杆状（primitive sheet,PS）、primitive壳状（primitive network,PN）两种TPMS多孔铝结构后,石蜡相变温度范围内出现明显的相变温度平台,PS-石蜡、PN-石蜡复合相变材料的相变起始时间较纯石蜡分别减少了74.1%与91.4%,竖直方向上的最大温度梯度由纯石蜡的1605.7℃/m分别下降至PS-石蜡、PN-石蜡复合相变材料的840℃/m、943.8℃/m,蓄热速率较纯石蜡分别提高3.10倍、4.69倍。最后,通过选区激光熔化（selective laser melting,SLM）技术成型了PS、PN多孔铝结构,并采用浇筑法制备了TPMS多孔铝-石蜡复合相变材料样品,利用可视化实验平台对仿真结果进行实验验证,发现仿真结果同实验吻合较好。     

泡沫铜/石蜡复合相变储能材料的储放热过程及数值模拟

作为储热和热管理技术的重要材料之一,相变储能材料通常具有储热密度较大、相变温度变化较小的优势,但其热导率较低,热传递效率较差。本文将泡沫铜用于石蜡相变储能材料的传热强化,通过测定相变储能材料储放热过程的温度变化,考察了添加泡沫铜对相变储能材料储放热速率和温度均匀性的影响,且在实验基础上对储能材料的放热过程进行建模并求解,得到温度云图,为实际应用提供理论依据。结果表明,添加泡沫铜后,石蜡的相变储热和放热时间分别缩短了16.67%和14.71%;储放热过程复合材料中心层与外层中心点的最大温差分别降低了91.5%和87.5%;建立放热过程相变储能材料温度随时间变化的模型,对比实际值和模型预测值,得到相关系数及标准误差分别为0.99℃和0.13℃,证明该模型准确度较高,可有效预测相变储能材料的温度变化情况。     

水泥基用相变微胶囊的颗粒特征与热力学性能

以石蜡、癸酸为芯材,脲醛树脂为壁材,间苯二酚为固化剂,采用原位聚合法制备相变微胶囊,采用ESEM、DSC、TGA来研究相变微胶囊颗粒形貌、粒径分布、热力学性能,以及相变微胶囊掺入水泥基体中的微观形貌.结果表明:微胶囊表面光滑,结构紧致;石蜡微胶囊的相变温度和相变焓分别是54.6℃和61.43 J/g,而癸酸微胶囊的相.变温度和相变焓分别是29.7℃和90.73 J/g;加入固化剂使得微胶囊产率从50％提升到78％以上;30次温度循环石蜡微胶囊相变晗无损失,癸酸微胶囊相变焓损失了31％;微胶囊在水泥基中分布均匀,形貌保存良好.     

二次换热式相变蓄热水箱的蓄放热特性研究

以三水醋酸钠为储热相变材料,添加成核剂和增稠剂,设计搭建二次换热式相变蓄热系统实验平台。通过实验分析了相变材料填充率、水的体积流率对相变蓄热水箱整体性能的影响。结果表明:蓄热时,二次换热式相变蓄热水箱温度分布比较均匀,相变材料升温速率与换热流体(HTF)升温度率基本保持一致。取热时,尽管添加的相变材料能够蓄存更多的热量,但相变蓄热袋占用了水箱的空间,影响水箱内换热流体对流传热。因此添加相变蓄热袋会影响蓄热水箱放热速率。与不填充相变材料的蓄热水箱对比,相变蓄热水箱取热量变小,取热效率降低。     

石蜡乳液相变泡沫混凝土试验研究

制备相变石蜡水性分散体乳液并将其引入化学发泡过程中制得相变泡沫混凝土，通过试验研究相变泡沫混凝土的干密度、抗压强度、体积吸水率、保温性能、相变稳定性能及微观状态。结果表明：相变石蜡乳液对化学发泡过程和材料抗压强度均有不利影响，相变石蜡乳液掺量在干粉料质量的40%以内能够稳定制得相变泡沫混凝土；相变石蜡以微小颗粒分散在泡沫混凝土基体中，掺入40%干粉料质量的相变乳液会引起泡沫混凝土抗压强度下降35%～47%、体积吸水率降低19%～30%;相变石蜡能够在一定温度范围内提高泡沫混凝土的保温性能，材料相变稳定性良好，石蜡不易渗漏。     

多熔点相变材料堆积蓄热床蓄热性能分析

对采用多种不同熔点相变材料（PCM）构成的堆积蓄热床进行了数值分析。热水作为换热流体（HTF）自上而下流经蓄热床,熔化相变材料、蓄积相变潜热。石蜡作为相变材料被注射入聚碳酸酯球壳内形成相变胶囊,根据熔点高低依次排放在蓄热床的不同位置,熔点越高距离热水进口越近。假定流场稳定,采用一维Schumann模型计算HTF温度,相变模拟采用显热容法。分别对两种排列方式下采用2种、3种以及4种相变材料的蓄热床的蓄热过程进行了基于热力学第一及第二定律的性能分析,并将结果与单相变材料蓄热床进行比较。基于热力学第一定律分析结果表明,采用多种相变材料构成的蓄热堆积床蓄热速度更快,能量效率更高。基于热力学第二定律分析表明,平均熔点更高的蓄热床能够储存更高的火用。结果表明采用多熔点相变材料构成的堆积蓄热床能够显著地缩短蓄热时间,改进蓄热性能。