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化的蓄热/放热实验系统,实验过程中使用高清相机对相变过程中的相界面变化进行了记录。同时,通过在蓄热单元内部布置多个热电偶测点,对蓄热/放热过程中的温度变化规律进行了探究。实验结果表明,受自然对流影响,熔化过程中相界面由上至下变化;而凝固过程中由于初始时蓄热单元下部温度较低且存在自然对流,此时相界面自下而上变化。蓄热流体温度越高,熔化所需时间越短,与蓄热流体温度为65℃的工况相比,蓄热流体温度为85℃、80℃、75℃、70℃工况的完全熔化时间分别减少了56.0%、46.7%、15.4%和26.7%。当采用不同温度的流体进行蓄热工况时,相变材料内部温度呈现出具有明显差别的温升规律。尽管如此,当采用相同温度的换热流体进行放热工况时,相变材料的放热温度仍趋于一致。     

基于圆柱形单元的储热装置放热实验研究

蓄热水箱作为太阳能供暖系统的重要核心设备,其性能直接影响着储能系统的整体运行效率。设计一种基于圆柱形相变单元的相变储热装置,并搭建相变蓄热水箱性能测试平台,通过单一控制变量法得到储热装置放热过程的温度变化曲线。研究表明：对于空间一定的储热装置,在等质量相变材料（PCM）时,相变单元的直径对装置放热速率的影响较大;相变单元之间的间距对装置放热速率的影响较小;当增大换热流体（HTF）的入口流量及降低HTF入口温度时,能大大减少储热装置的放热时间,提高储热装置的整体性能。     

电热型管壳式相变蓄热器的设计与性能实验

相变蓄热技术近年来在电力削峰填谷的应用中发挥了重要作用,成为供热领域的新热点。本文设计了以PTC电加热棒为发热源,水为载热介质,纳米共晶水合盐为相变蓄热材料的管壳式相变蓄热器。实验研究了蓄放热过程中装置内部水和相变材料的温度分布情况以及特定温度范围的蓄放热性能及变化规律。结果表明,以圆管正三角阵列 + 折流板为特征的管壳式换热器结构可以使蓄热器内部温度分布更加均匀;以某测温点水温75 ~ 98℃变化区间为蓄放热周期,蓄热周期的实际蓄热量为779 796 kJ,有效蓄热系数达到0.91,平均蓄热功率为94.13 kW;在放热周期,放热功率从74.2 kW随水温的下降而逐渐减小至51.8 kW,当水温降至相变温度以下时,放热功率趋于稳定。     

一种太阳能储能装置的模拟计算与实验分析

利用太阳能相变储能技术提出一种新型太阳能储能装置,并搭建该装置的实验测试台,简要分析了该装置的结构和工作原理。将太阳能集热部分与储能一体化设计,在增强换热的同时降低了储能空间,具有良好的蓄放热性能。通过相关实验表明:装置蓄热时间为307 min,储能量为10.64 MJ;将流量为2.2 L/min、温度为33.2℃的冷水充入集热器,放热时长60 min,总出热水量为132 L,放热量为8.43 MJ,整体效率为64.7%。ANSYS模拟及相关实验验证,相变储能单元内部相变材料和装置放热过程中储能单元的温度变化对蓄热一体化集热器的设计具有参考价值。     

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。     

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。     

相变蓄热水箱的设计与运行特性研究

以肉豆蔻酸/膨胀石墨作为储热相变材料,分析肉豆蔻酸/膨胀石墨应用于水箱蓄热的可行性,计算出相变蓄热水箱临界取热温差为103.1℃,研制一种具有均流结构的相变蓄热水箱,并在此基础上设计一套用于测试相变蓄热水箱运行特性的实验系统。实验研究不同蓄热温度、储热单元数量和水箱内不同流速下相变蓄热水箱的蓄/放热特性。研究结果表明:融化过程中,较大的温差能加快相变材料的蓄热速率;在凝固过程中,为使储热单元热量释放出最多的可利用热量,水箱内水流速率取0.012m/s较适宜;相变单元可有效降低水箱内热水温度的下降速率,在包含150L蓄热介质的水箱中,取热温差为30℃,流量为3.3L/min的情况下,当蓄热单元占用水箱体积9.84%时,可比相同体积常规蓄热水箱多提供20%温度不低于40℃的热水。     

相变储能箱耦合太阳能空气源热泵供热系统参数优化

为解决相变储能箱耦合太阳能空气源热泵供热系统关键参数的设计问题,设计了基于TRNSYS软件的相变储能箱耦合太阳能空气源热泵供热系统模型。利用GENOPT软件调用Hooke Jeeves算法,以费用年值为优化函数,针对集热器面积、空气源热泵制热量、集热器倾角、集热器方位角、相变储能箱体积以及体积因子等关键参数进行优化分析,并以单位体积下相变储能箱蓄/放热量、集热器逐月平均效率及系统性能系数COPS为优化前后评价指标。结果表明：集热器面积取187 m2、空气源热泵制热量取40.5 kW、集热器倾角取44.1°、集热器方位角取-1°、相变储能箱体积取4 m3、体积因子取0.1时得最小费用年值,费用年值同比降低21%;优化后单位体积下,相变储能箱年放热量提升了15.1%,年蓄热量提升了16.5%;以系统性能系数COPS为评价指标,优化后系统整体性能受环境因素影响下降,系统更趋于稳定运行。     

外压内吸薄壁弹性矩形阵列管相变蓄热装置放热研究

针对由于相变材料导热系数较低且易与受热面相剥离而造成相变蓄热装置放热功率不能满足工程实际需要的现象,设计了外压内吸薄壁弹性矩形阵列管相变蓄热装置。在外部正压和内部负压的共同作用下,采用薄壁弹性矩形阵列管可以解决相变材料与受热面相剥离的问题,同时提高了蓄热装置受热面的紧凑性。搭建相变蓄热实验台并测试蓄热装置在不同流体温度、不同流体流量和不同相变材料工作温度下的放热性能。研究结果表明:矩形管外侧流体流量越大,其传热系数和热功率越大,并且随着放热过程的持续进行,这两个参数的下降速率越小;相变蓄热装置的传热系数随着剩余热功率的下降而迅速降低,当剩余热功率占最大热功率的70%~80%时,传热系数下降速率出现转折,此后下降速率有所减小,当剩余热功率占最大热功率低于20%时,相变蓄热装置的放热过程基本结束;相变材料起始温度和相变蓄热装置进口流体温度的差值以及矩形管外侧流体流量变化时,蓄热装置的传热系数相差不大。     

基于太阳能利用的相变蓄热水箱结构优化

为解决因太阳能的不稳定性等因素导致的太阳能蓄热水箱储热/放热能力的不保证性问题,提出采用中低温有机相变材料58号石蜡作为相变蓄热材料的圆台式太阳能相变蓄热水箱。采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟的计算方法,在保证总蓄水体积(以100 L为例)不变的情况下,对水箱中不同内胆倾斜角度分别为75°、80°、85°、90°、95°、100°、105°的放热过程进行数值模拟,综合对比和分析水箱放热性能模拟结果,得到当倾斜角度为105°时的相变蓄热构件放热性能最佳,可为太阳能相变蓄热水箱的结构优化设计提供理论依据。     

新型无水箱相变蓄热式太阳能集热器及热性能研究

设计了一种新型无水箱相变蓄热式太阳能集热器,其主要由太阳能真空集热管、相变储热球、电加热棒和换热管道组成。实验以复合三水醋酸钠为相变材料,进行无水箱相变蓄热式太阳能集热器的热性能研究,结果表明:在总容积为34 L的集热管组中添加20%的相变储热球后,管内单位容积蓄热量增加,总蓄热量达8.2 MJ;放热过程高温段延长,放热量增加1.98 MJ,有效放热率为0.81;经夜间保温测试,集热管组温降率为1.4℃/h。     

层叠式高温相变蓄热系统传热特性的实验研究

为研究层叠式高温相变蓄热系统的传热特性,采用二元熔盐Solar Salt(质量比NaNO_3:KNO_3=6:4)为相变材料,以空气为换热介质,记录不同风速下蓄热箱体内部的温度变化。通过层叠式高温相变蓄热系统的放热实验,分析蓄热箱体内部蓄热单元的传热特性,进而对蓄热箱体内部传热效率低的区域进行传热优化。通过在相变材料Solar Salt中添加不同质量分数的膨胀石墨,提高相变材料的导热系数,进而改善传热效率低的区域。实验表明:在蓄热箱体内部,靠近出风位置的蓄热单元A2降温到200℃所需时间分别比靠近进风位置的蓄热单元B2和C2多10.5%和37.4%。为解决靠近出风位置的A列蓄热单元传热效率低的问题,在A列蓄热单元的Solar Salt中添加膨胀石墨,可以显著改善蓄热箱体内部的传热情况,明显提高了系统的换热能力,且风速为1.53 m/s时相邻配比材料效率提升最大。     

相变蓄热式集热器蓄放热数值与实验分析

对一种相变蓄热式太阳集热器的蓄放热过程进行CFD软件数值模拟和实验测试。该集热器由全玻璃真空集热管、相变蓄热单元和U型换热器组成。选用相变温度在330~400 K的3种适合于太阳集热器的复合相变材料石蜡、Ba(OH)_2·8H_2O和赤藻糖醇,在蓄热式集热器中进行蓄放热性能测试。研究表明,填充Ba(OH)_2·8H_2O的蓄热式集热器在总蓄热量、材料内部温度均匀性等蓄放热方面性能优越。实验结果对蓄热式集热器的设计具有参考价值。     

相变蓄热单元蓄/放热过程的数值模拟研究

建立同心套管相变蓄热单元的二维模型,并与文献对比验证,完成网格无关性和时间步长独立性验证后,数值模拟分析模型结构和流体入口速度对蓄热特性的影响,探究导热系数和相变材料的熔点对放热特性的影响。研究结果表明:采用波节管代替光管可优化蓄热单元的蓄热特性,且3#波节管的换热性能最优,相比于光管,蓄热时间可缩短39%;其他条件不变时,增加传热流体(heat transfer fluid,HTF)的导热系数,蓄热单元的放热效率先增后降,存在最佳值;当相变材料(phase change materials,PCM)的导热系数大于HTF时,继续增加PCM的导热系数会使放热效率下降;随着PCM熔点的增加,有效放热时间先增后减,在熔点为603 K时,放热效率达到最大值0.82。     

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。     

泡沫铁/石蜡复合相变储能材料放热过程及其热量传递规律CSCD

石蜡作为相变储能材料具有储能密度大的优势,但其导热率较低。以石蜡作为相变储能材料、金属泡沫铁作为导热增强材料,通过对泡沫铁/石蜡复合相变储能材料的制备及其放热过程测试,探究了两种厚度金属泡沫铁对石蜡放热过程的强化作用和传热过程。结果表明,泡沫铁能缩短石蜡放热时间,提高放热效率。相比对照组,厚10 mm和15 mm的泡沫铁/石蜡复合相变储能材料相变时间分别缩短了1/3和1/4,相变放热密度分别减小了1.60%和3.26%,两者的相变放热速率是相应对照组的1.44和1.27倍。同时,还对15 mm泡沫铁/石蜡复合相变储能材料放热过程中,对流换热系数与相变时间和材料温度的关系分别进行了模拟,得到相应的理论公式,该公式所求得的模拟值与实际值较接近,可用于预测不同放热时间或材料温度下复合相变储能材料的换热能力。     

添加物对石蜡相变螺旋盘管蓄热器蓄热和放热性能的影响

对以石蜡为相变材料的螺旋盘管蓄热器的蓄热和放热性能进行了实验研究,探讨了在石蜡中添加铜粉、硅粉和不锈钢丝带对石蜡螺旋盘管蓄热器蓄热和放热性能的影响。结果表明：在蓄热过程中,随着加热时间的增加,蓄热器内的温度分布不均匀性逐渐增大;纯石蜡蓄热器内温度分布不均匀性最为严重;插入不锈钢丝带的蓄热器内温度分布最均匀。在放热过程中,纯石蜡蓄热器的出口水温下降最快;而石蜡加不锈钢丝带的蓄热器出口水温最高。     

肉豆蔻酸/膨胀石墨复合相变材料的制备及性能研究

以肉豆蔻酸(MA)为相变材料,膨胀石墨(EG)为基体,通过膨胀石墨对肉豆蔻酸的吸附作用制备一系列肉豆蔻酸/膨胀石墨(MA/EG)复合相变材料,发现肉豆蔻酸与膨胀石墨的最佳质量比为15∶1。通过SEM、DSC和蓄/放热实验对复合相变材料的微观结构和热性能进行分析表征。研究结果表明,MA均匀分布于EG的网状多孔结构中。MA/EG复合相变材料的相变温度和相变潜热分别为53.19℃和191.75 J/g,且与MA相比变化不大。蓄/放热实验结果表明,MA/EG单元蓄热时间比MA单元缩短了32.25%,放热时间比MA单元缩短了49.07%,MA/EG相变单元的蓄/放热速率较MA有很大提高。     

太阳能相变蓄热水箱性能实验研究

利用相变材料蓄热是提高太阳能系统效率的重要途径之一。为对比分析含相变材料蓄热水箱的性能,选用三水合乙酸钠,搭建了一套蓄热水箱实验系统,在初始水温为80℃、进水温度为20℃的工况下,对比分析不同进口流量下(2、6和10 L/min)相变蓄热水箱的热特性。实验结果表明:相变蓄热水箱的蓄热量较普通水箱增加了1.4%;随着流量的增加,水箱的混合数先减小后增大,火用效率逐渐降低,相变蓄热水箱的填充效率先增大后减小,且在6 L/min时达到最大值0.905。     

基于TRNSYS平台的PCM层储能电炉蓄热过程的数值模拟研究

为有效解决电能供需矛盾、改善储能电炉蓄热能力，研究基于TRNSYS平台的PCM层储能电炉蓄热过程的数值模拟方法。以蓄热式储能电炉物理模型为基础，在TRNSYS软件中建立储能电炉数学模型，采用PCM层分析储能电炉蓄热过程，实现建模、整理数据、求解、分析处理于一体的储能电炉蓄热数值模拟操作。实验结果表明：电炉体积为20 m³、蓄热流量为25 m³/h、蓄热温度23/13℃时电炉蓄热率最高；蓄热流量越小蓄热量越高，且蓄热流量对蓄热率影响显著；蓄热电炉上、中、下部温度总体变化趋势均为蓄热-平稳-蓄热，蓄热电炉内流体流速越大蓄热时间越短；蓄热式储能电炉内渐变螺距蓄热装置相较于恒定螺距蓄热装置的蓄热时间短；蓄热式储能电炉相变蓄热材料融化时间随密度增加而增加；当相变蓄热材料密度较小时，相变蓄热材料的平均流速大。