相变材料融化储热中的自然对流增强效应研究

液相自然对流传热可显著提升相变材料的融化储热效率。为了明确相变材料融化储热中的自然对流增强效应,通过开展侧边恒定热源下的相变石蜡融化储热试验,获取相变石蜡融化前缘的倾斜特征,证实了液相自然对流对融化储热的影响。建立流-固-热三场耦合下的相变材料融化储热计算模型,对比试验测试与理论计算结果,验证计算模型的正确性。分析自然对流传热影响的尺寸效应和方向性,并进一步研究加热温度和初始温度等因素对储热效率的影响。结果表明,在侧边恒定温度热源下,方腔内液相自然对流运动将导致倾斜状的融化前缘,并提升了13.1倍的融化储热效率。液相自然对流影响存在尺寸效应,在方腔边长小于2mm后其增强效应基本可忽略不计。同时,液相自然对流运动受热源方向影响显著,热源方向角由90°向270°旋转时,液相自然对流效应将被逐渐激活,流动状态将由单一大环流向若干无规则小环流转变,最终在底部热源下达到最大储热效率,并转变为波浪形的融化前缘形态。加热温度由60℃增至100℃时,自然对流增强系数提升了20%。初始温度由25℃降至5℃时,自然对流增强系数降低了10.2%。     

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。     

加热方向对方腔内相变石蜡储热性能影响研究

为探究方腔内相变石蜡的储热性能,基于等效热容法和Boussinesq假设,建立相变石蜡融化储热计算模型,并针对加热方向及约束形式等因素对相变石蜡的储热性能的影响进行研究,并开展相变石蜡融化试验,验证计算模型的正确性。结果表明：相变石蜡融化储热过程是由热传导和自然对流传热综合决定的,其中自然对流传热在相变石蜡融化储热过程中起着极为显著的促进作用;不同加热方向下,相变石蜡表现出截然不同的融化储热效率,其中顶、底、侧边单独加热下的自然对流传热效应依次使储热效率提升了0.01,27.9和13.1倍,即底部热源的储热效率最高;在四面加热下,固相因无约束而下沉至底部,并抑制底部热壁面的自然对流传热效应,此时顶、底、侧热壁面的储热贡献率分别为17.3%,37.3%和22.7%;当固相运动被预埋热电偶等因素限制时,将形成钟型融化前缘,该形态包含了各热壁面单独加热下的融化储热特征,此时顶、底、侧热壁面的储热贡献率分别为19.2%,29.8%和25.5%。     

三维套管式加肋相变蓄热单元的传热特性分析

采用数值模拟方法研究了不同模型的相变蓄热单元蓄/放热过程以及入口流体温度对蓄热过程的影响。结果表明：沿轴向方向,不同截面的蓄/放热时间相差很大,轴向方向的自然对流对蓄/放热的影响较小;添加分形肋片提高蓄/放热速率的效果最好;在蓄热过程中,模型4和模型5的蓄热时间相比于模型1均缩短了45.4%;在放热过程中,模型2～模型5相比于模型1的放热时间分别缩短了12.3%、13.7%、27.4%和34.2%;提高入口流体温度可以显著缩短蓄热时间,但蓄热速率的增幅逐渐减小,当入口流体温度高于358.15 K时,入口流体温度对融化时间的影响明显减小。     

逆向流动边界下窄方腔内相变材料融化传热数值研究

为分析复杂流动边界条件对相变材料融化进程的影响,采用计算流体动力学方法进行数值模拟,研究了窄方腔内月桂酸在逆向流动边界中的融化传热特性。建立了填充有相变材料的窄方腔两侧流过参数相同但逆向的传热流体的物理模型。通过数值模拟得到了相变材料融化形态变化以及相对应的液体分数、温度、速度矢量分布等瞬态传热特性,从中总结出了腔体中相变融化机制和传热机理。选取雷诺数1×10⁴,3×10⁴,5×10⁴,7×10⁴和瑞利数3×10⁶,4×10⁶,5×10⁶,6×10⁶的7种工况,分析了不同边界条件对传热过程的影响。结果表明：腔内自然对流的产生大大增加了传热强度,导致顶部相变材料率先完全融化;融化阶段的传热方式依次为导热、导热与对流混合、对流主导传热;在两侧流体的共同传热作用下腔内外换热效果明显增强;雷诺数和瑞利数都对融化过程有积极的影响,但融化前期雷诺数影响较大,后期瑞利数逐渐起主导作用。     

方腔内合金相变材料的熔化过程

本文利用CFD软件对方腔内合金相变材料在温差作用下的熔化过程进行了数值模拟研究。通过与试验结果的比较,验证了本文采用的模型和算法的正确性。同时,详细研究了熔化过程中合金相变材料的固−液界面、温度及环流速度的变化规律。结果表明,为了减小传热热阻,加快合金的熔化速度,从方腔的侧面和底面加热相变材料时熔化效果最好。     

方管与圆管中石蜡蓄热的对比研究

针对不同形状管道对蓄热状况影响不同,建立了圆形管道与方形管道的石蜡蓄热模型,运用FLUENT软件对其熔化过程进行了仿真,讨论了自然对流及石蜡厚度对石蜡蓄热的影响。计算结果表明：熔化初期,方形装置内的固液界面呈“脚丫”状,而圆形装置内的固液界面近似呈椭圆状。自然对流对熔化结果影响较大,对流的存在加速了石蜡的熔化;在自然对流的作用下石蜡的熔化速率先快后慢,而熔化总时间与石蜡厚度成正相关。在蓄热单元面积保持不变的情况下,当内管周长相等时,方管内石蜡熔化总时间大于圆管内石蜡熔化总时间;当内管面积相同时,方管内石蜡熔化总时间小于圆管内石蜡熔化总时间。     

水平置恒壁温单圆管外蓄冰规律的实验研究

管外蓄冰是静态管壳式蓄冰槽所采用的主要方式,对其特性的理解对于进行相关设备的设计和优化具有重要作用。通过实验研究考察了水在有限空间内水平恒壁温单圆管外的冻结过程,通过测量冰层轮廓的变化,确定出密度反转和自然对流对管外蓄冰过程影响的基本特性,以及管外蓄冰过程的特点。实验结果表明,初始水温的大小影响着管外冰层轮廓发展的均匀性。受对流降温现象的影响,无因次冰层断面积随无因次时间的增长趋势和水温为0℃时的冻结过程有很大差别,所体现的蓄冰规律与初始条件有很大的相关性。在管内盐水温度不变的情况下,初始水温高,输入的冷量主要用于降低水温,所以冰层增长慢;初始水温低时,输入的冷量多用于促进冰层的增长。     

夏季间歇运行工况下相变温度对相变回填地埋管换热器传热性能的影响

为探究相变温度对相变材料回填地埋管换热器传热性能的影响,建立管内流体换热、回填区域相变换热及土壤换热的三维耦合传热数值模型,利用焓-多孔介质模型对相变区域相变问题进行处理,研究夏季间歇运行工况下不同相变温度回填材料对埋管换热器传热性能的影响。结果表明:添加PCM,可有效提高换热量,短期内缓解埋管周围热积聚,利用相变温度18℃的PCM回填,单位井深换热量至少比普通材料回填提高49.54%;在间歇运行初期,换热量随相变温度的升高逐渐减小,低相变温度的PCM可明显改善埋管换热量,但随着时间的进行,较高相变温度PCM回填对换热器换热量的改善效果优于前期低相变温度。此外,在运行期间,不同相变温度的PCM表现出不同的熔化、凝固特性,当PCM的熔化、凝固过程交替进行时,可减缓土壤温度在运行期间内波动幅度。     

管壳式蓄热装置的设计及蓄热单元三维数值模拟与优化

为弥补太阳能间歇性的缺点,设计了管壳式蓄热装置并建立了一个三维的、非稳态的、液态石蜡包含自然对流的相变蓄热装置模型,在该模型中取一个蓄热单元进行模拟研究。蓄热单元为圆柱体,内部放置石蜡,中心位置为传热管,热水通过传热管和传热管上的翅片对石蜡进行加热。对蓄热单元的蓄热过程进行了三维数值模拟,分别分析比较了有无自然对流条件,不同蓄热单元放置,以及增加内外翅片情况下蓄热单元的蓄放热性能,研究结果可为蓄能装置及集成系统的开发提供理论依据。     

冷水相变能热泵系统的性能系数与经济性分析

冷水相变能热泵系统是一种清洁能源供热供冷系统,性能系数和经济性是冷水相变能热泵系统的主要问题。根据冷水相变能热泵系统的运行原理,采用控制变量法实验分析了冰层厚度、冷水流量以及蒸发冷凝温度对系统能效比的影响,提出了一种冷水相变能热泵系统的运行调控方案并计算其经济性。研究表明：结冰厚度为8 mm时,系统有效能效比最大;系统制热量为744 kW时,相变机结冰期冷水流量应控制在70 t/h,排冰期冷水流量应控制在80 t/h;根据不同时间段的冷热负荷进行系统运行调控,与传统运行方式相比,冬季运行成本降低了4.72%,夏季运行成本降低了29.96%,系统能效比提高了5.6%;系统投资回报率为15.27%,投资回收期为7.67年,具有良好的经济性与节能性。     

圆管蓄热器的传热及非线性研究

通过ANSYS FLUENT软件对圆管内的石蜡受热融化的相变传热过程进行计算分析,结果表明,传热过程中因为自然对流的存在而具有非线性特性;采用时间序列法和相轨迹图法对流动非线性分析,结果表明,流速由零突增然后再经过一段的无规律振荡后最终逐渐趋向于稳定保持不变。     

水平管壳式相变蓄热装置的强化传热研究

基于焓法模型对水平管壳式相变蓄热装置热性能的增强进行研究,首先分析蓄热过程中传统管壳式装置内材料的传热及流动机理;然后引入椭圆元素并对比椭圆内管及外壳的强化传热效果;最后对热源温度、相变材料导热系数及初始温度对装置热性能的作用规律进行探讨.结果显示,椭圆外壳的强化传热效果优于内管,同等条件下,长短轴之比为2的椭圆外壳可...     

Research on melting and solidification processes for enhanced double tubes with constant wall temperature/wall heat flux

Latent heat thermal energy storage (LHTES) improves the energy utilization efficiency between energy supply and energy demand of heating storage in buildings and liquid desiccant air conditioning systems. The present work is focused on validated numerical investigation of the thermal performances of LHTES inside enhanced double tubes. The effects of the number of fins ranging from 2 to 10 and boundary conditions of the inner tube wall on the melting and solidification processes are examined. The results indicate that number of fins and wall boundary conditions play an important role in the thermal performances of LHTES. It is noted that recirculation flow in the liquid phase change material region is formed remarkably. The enhancement ratio for constant wall temperature is more significant than that of constant wall heat flux during the melting process. However, the discrepancy of the enhancement ratio for different inner wall temperatures is limited during the solidification process.     

纳米复合相变材料固液相变储能过程研究进展

对纳米复合相变材料固液相变储能过程的若干最新研究进行了回顾,从相变储能系统的动态性能和典型的凝固、熔化传热过程两方面总结了相关研究的进展,并重点评述了数值模拟研究中纳米复合相变材料有效热物性预测方法的适用性及其与实验结果之间的偏差,最后对纳米复合相变材料固液相变储能过程的未来发展和重点研究方向进行了展望。     

相变潜热随温度变化对固-液相变过程的影响

对相变潜热随温度变化的变温固液相变过程进行了数值分析计算，重点分析了相变潜热随温度变化对相变过程的影响。结果表明，对于相变潜热随温度变化的相变过程，其主要影响因素仍然是Stefan数、相对导热系数、相对热扩散系数、相变温度宽度等基本无量纲数。尽管相变潜热随温度的变化会对相变过程造成一定的影响，但如果用相变温度范围内的平均潜热代替实际相变且视为常数，则可以较好地近似实际相变过程：由此不会给预测融化所需要的总时间带来明显的误差，而对温度分布的影响也很小，主要集中在液固过渡区内。     

Three－Dimensional Numerical Simulation of Natural Convection Heat Transfer in an Inclined Cylindrical Annulus

Ｔｈｒｅｅ－ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＮａｔｕｒａｌＣｏｎｖｅｃｔｉｏｎＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒｉｎａｎＩｎｃｌｉｎｅｄＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＡｎｎｕｌｕｓＪ．Ｇ．ｗｅｉ；Ｗ．Ｑ．Ｔａｏ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒ...     

漏斗状储热水箱边界斜度对热量损失的影响

为了研究太阳能跨季节蓄热过程中,漏斗状储热水箱的侧壁倾角对其内部自然对流换热情况的影响,文章采用Fluent软件对漏斗状储热水箱内非稳态自然对流换热情况进行了三维数值模拟.模拟结果表明:水箱侧壁倾角对漏斗状储热水箱内部的自然对流换热过程有一定的阻碍作用,水箱侧壁倾角θ越小,阻碍能力越大,但对流换热过程与水箱侧壁倾角之间...     

Double-diffusive natural convection in a porous medium under constant heat and mass fluxes

Double-diffusive natural convection in a rectangular fluid-saturated porous medium has been studied analytically and numerically. The analysis reveals that there is a range of buoyancy ratios N in which one obtains two types of solutions or oscillating convection. In the case of 0.4 < N < 1.0, there exist two analytical solutions when R_c = 100 and Le = 30. In that case, two solutions, temperature-dominated and concentration-dominated solutions, are calculated when the aspect ratio is small. It is found that the oscillation is due to a temporal formation of a two-roll flow pattern in the cavity when the aspect ratio is sufficiently large. The oscillation of time-dependent Nusselt number and flow patterns are shown. © 1999 Scripta Technica, Heat Trans Asian Res, 28(4): 255–265, 1999