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。     

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。     

流体在超轻多孔金属泡沫中的流动和换热特性

以去离子水为冷却液,对其在超轻多孔铜泡沫中的流动和换热特性进行了实验研究。在测定和分析流量、压力降和温度等实验参数的基础上,获取了热流密度、金属泡沫孔密度、液体流量等参数对层流流体流过金属泡沫时的压力降、通道壁面温度、对流换热等特性的影响。结果表明金属泡沫会显著强化对流换热,大大降低通道的壁面温度,其对流换热能力会随Reynolds数的增大而逐渐增强,最大Nusselt数可达空矩形通道的13倍,但与空通道相比,金属泡沫通道的压力降显著增大,并随Reynolds数及金属泡沫孔密度的增大而增大。     

多孔泡沫金属强化池沸腾换热的研究进展

综述了近年来多孔泡沫金属强化池沸腾换热的实验研究,从多孔泡沫金属的材料、厚度、孔密度、孔隙率及泡沫金属复合槽道对强化传热性能的影响进行总结,并对多孔泡沫金属强化沸腾换热的研究方向进行展望。     

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。     

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...     

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。     

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%。     

壳管式潜热蓄能系统换热特性

针对目前石蜡潜热蓄能系统效率低下的特点,构建了石蜡/膨胀石墨混合相变材料的潜热蓄能系统,研究了其蓄/放热特性,并与纯石蜡相变材料系统进行了对比分析,讨论了不同换热流体流量下的蓄/放热过程的时间周期。用焓法处理相变区域,对该潜热蓄能系统的整体蓄热过程进行数值模拟。研究结果表明,对于石蜡／膨胀石墨复合相变材料,其导热性能较纯石蜡有很大提高,但由于添加了膨胀石墨而减弱了蓄热中石蜡的对流换热。流量提高对蓄/放热速率有明显的改善。焓法模型能全面反映蓄能系统的换热与流动特性,数值计算的结果与实验数据吻合较好。     

金属有机骨架基复合相变储热材料研究进展

固-液相变材料的品种多且潜热大,是潜热储热技术的重要工作介质。因其存在的液相泄漏问题,现阶段常将此类相变材料与多孔载体复合以提升相变材料的应用性能及使用寿命。金属有机骨架（MOFs）是一种新型多孔材料,具有高比表面积、高孔隙率以及孔径和表面性质可调控等优势,将其用作相变材料的载体具有潜在的发展前景。本文对MOF基复合相变材料的研究进行了全面综述,详细介绍了以MOFs为载体、以MOFs衍生多孔碳为载体和以MOFs原位生长于高导热基体所得复合材料为载体而制得的多种复合相变材料。MOFs的微孔结构所产生的强毛细管力对固-液相变材料有很强的固定作用;制备较大孔径的MOFs或者对MOFs进行修饰以调节MOF与相变材料间的相互作用,都有利于提高相变材料的负载率,从而提升复合相变材料的潜热;对MOFs进行高温碳化处理得到MOFs衍生多孔碳能有效解决MOFs孔径过小的问题,并能通过对其进行氮掺杂或磷掺杂来增强载体与相变材料间的氢键作用,从而获得具有高负载率和相变潜热的复合相变材料;为了增强MOF基复合相变材料的导热性能,先将MOFs原位合成在高导热基体上以利用高导热基体提供连续的传热网络,可以有效提升复合相变材料的导热系数。将原位生长在高导热基体上的MOFs进行高温碳化处理可以得到MOFs衍生多孔碳与高导热基体的复合材料,将其作为载体可以进一步增强复合相变材料的导热性能。文中最后指出,今后对于MOF基复合相变储热材料所用MOFs和相变材料的种类、MOFs与相变材料间相互作用对储热性能的影响、MOFs与相变材料复合后的稳定性等方面还需进一步探索,将MOFs的催化、检测等功能与相变材料的储热控温功能相结合制备多功能材料也是未来的发展方向之一。     

多孔纳米基复合相变材料在建筑节能中的应用进展

近年来相变材料的开发和应用受到广泛的关注,研究表明,纳米和多孔基复合相变材料可以显著提高材料热导率和热稳定性,同时可以有效防止相变材料在熔融和凝固过程中发生的泄漏问题。本文主要介绍了建筑领域的纳米和多孔基复合相变材料的选择和制备、材料的表征及热物性测量研究,简述了掺入复合相变材料的砂浆、石膏板、混凝土和砖块的热性能情况,通过实验和数值模拟分析了建筑系统中的复合相变材料的应用情况,对采用了储热相变材料的建筑系统进行成本分析和节能研究。最后说明应根据地区气候和使用需求选择不同相变点和热导率的相变材料,添加相变墙体可提高热舒适性,并有效减少能耗。同时指出如何将相变墙体更好地与主动式技术结合,以及探究降低相变墙体的可回收年限和长时间使用相变墙体后的热性能是今后的主要研究方向。     

Preparation and properties of novel ceramic composites based on microencapsulated phase change materials (MEPCMs) with high thermal stability

Ceramic composites are widely used in medium/high temperature thermal energy storage (TES) and catalysis. Due to the high latent heat of phase change materials (PCMs), it is an effective method to improve the TES capacity by combining PCMs with ceramic materials. However, PCMs are easy to leak after being heated, so they need to be microencapsulated. Furthermore, for porous ceramic catalytic composites, the leakage of PCMs will block the pores, which seriously hinders their application. In this paper, a novel microencapsulated phase change material (MEPCM) with thermal expansion void was prepared using “double-layer coating, sacrificing inner layer” method. Based on that, two kinds of ceramic composites have been prepared. One is a TES material which composed of alumina, glass frit (GF) and MEPCMs. Thermal analysis results showed that the composite can still maintain stable heat storage performance after 200 melting-solidification cycles with little latent heat loss. Another is a multifunctional porous composite phase change material (CPCM) by loading Ce and Mn as catalyst via solution combustion synthesis (SCS) method, which can be used in low temperature SCR catalysis and other catalytic fields (100–300 °C). Based on MEPCMs with thermal expansion void, the two ceramic composites show great potential in energy storage and catalysis.     

超重条件下泡沫石墨-石蜡相变传热实验研究

基于高热导率多孔材料骨架强化传热的相变蓄冷器具有热容量大、换热效率高、控温稳定、环境适应性强等优点,在航空航天领域具有广泛的应用前景。多孔介质内固-液相变换热过程中,由于相变换热产生的相变工质密度差在加速度的驱动下造成的液相浮升力变化,将引发更为复杂的固-液相变流动与换热不稳定性特征。设计搭建了离心环境条件下的多孔介质内固-液相变换热实验研究装置,实验获得了不同加速度大小和方向下多孔介质内固-液相变换热特性。结果表明,高导热泡沫石墨-石蜡相变蓄冷能够实现界面较低升温速率温控,同时加速度方向对于相变蓄冷装置整体换热效率及换热均温性存在显著影响。当加速度方向与热流方向反向或垂直时,加速度驱动液相储能工质局部自然对流将促进整体换热效率,而加速度方向与热流方向同向时换热效率降低,并且上述差异将随着加速度的提升而进一步扩大。     

(准)共晶系相变储能材料的研究进展

节能技术的发展是当今非常现实的问题，这些技术的发展方向之一是各行业的热能储存。相变储能材料由于其较大的潜热和恒温性，被广泛应用于潜热储能系统和热管理系统中。然而，单一相变材料的相变温度和潜热比较固定，难以同时满足多种储能应用对各种潜热、相变温度等性质的要求。因此，人们开展了关于二元或多元共晶相变体系的研究。本文介绍了近年来国内外（准）共晶相变储能材料及其复合材料的研究进展，探讨了（准）共晶相变储能材料的理论设计机理，指出了（准）共晶相变储能材料存在的不同问题并提出建议，最后指出了（准）共晶系相变储能材料在实际应用领域的局限，提出未来在寻找新型相变储能材料，建立传热理论模型，对（准）共晶系复合相变储能材料的力学性能、耐老化性能、储能密度低和高温条件下的耐久性差等方面需要进一步探索。     

石蜡乳状液高温潜热输送材料的传热特性

石蜡乳状液高温潜热输送材料是一种在80～90℃之间存在相变的流体。由于相变潜热的存在,石蜡乳状液在相变区间内的储热、载热密度远大于水,且集储热与潜热输送于一体,适用于余热利用、太阳能利用和集中供热等领域,具有广阔的应用前景。研究了定热流条件下石蜡乳状液在管内的强制对流换热特性。结果表明,与纯水相比,虽然石蜡乳状液的有效比热大,但其对流传热系数低,且浓度越高,对流传热系数越低。实验发现入口温度对石蜡乳状液对流传热系数的影响不大,但随着入口温度升高,对流传热系数有增大的趋势。最后获得了石蜡乳状液对流换热量纲1关系式。     

脂肪酸相变储能材料热性能研究进展

在以往所研究的相变材料中,脂肪酸由于展现出优越的性能,得到了研究者更多的关注,但同样存在相变温度不适宜和导热性能差等热性能问题。本工作通过现有文献对脂肪酸相变储能材料的热性能进行系统分析,提出了脂肪酸与脂肪酸、脂肪醇及石蜡复合3种有效解决相变温度不适宜的方法;针对导热性能差提出了多孔材料吸附、添加碳材料或金属粒子和微胶囊化3种高效易行的强化传热方式,进而说明这一领域目前研究重点。同时,对脂肪酸储能材料的相变性能、导热增强方法及导热增强剂进行了比较,分析了各自的优缺点。最后,对脂肪酸相变储能材料热性能研究的不足之处进行了探究,并指出了制备出更多能应用于建筑节能和纺织等领域的脂肪酸相变储能材料和着重研究脂肪酸与石蜡的复合等进一步研究方向。     

Thermal energy storage performance of hierarchical porous kaolinite geopolymer based shape-stabilized composite phase change materials

Phase change materials (PCMs) are prospective energy materials that are widely applied in building energy conservation, waste heat recovery, infrared stealth technology and solar dynamic power system. The enhancement of heat transfer and leak-proof performance are critical to PCMs. Although geopolymers have been applied in thermal energy storage, meanwhile, hierarchically porous geopolymers have already shown superb performance in various functional applications, to the authors’ knowledge, no report concerning the application of hierarchical porous ones have been issued. This paper concerns the preparation of a shape-stabilized composite PCMs, consisting of hierarchically porous kaolinite-based geopolymer (PKG) embedding polyethylene glycol 4000 (PEG4000), which shows promising prospects in thermal energy storage. Optimized porous geopolymer matrices feature high porosity (>83%), combined with high specific surface area (4.7 m²/g) and thermal conductivity (TC, 1.324 W·m⁻¹·K⁻¹). Furthermore, the shape-stabilized composite PCMs show excellent thermal energy storage properties: loading rate of 80.93 wt%, latent heat of 168.80 J g⁻¹ and TC of ∼0.36 W·m⁻¹·K⁻¹ at 20–30 °C, which is 1.64 times of the TC of pure PEG4000. Finally, the photothermal conversion performances of the shape-stabilized composite PCMs were also simulated.