基于火积理论的多级套管式相变蓄热系统优化

本文基于最小火积耗散热阻原理,在考虑相变材料导热热阻以及非稳态传热过程的基础上,对多级套管式相变蓄热系统的融化温度进行了数值优化,获得了最优融化温度分布。在此基础上,研究了相变材料导热系数和传热管长度对最优融化温度、火积耗散热阻和平均蓄热速率的影响。研究结果表明,与现有理论优化方法相比,本文提出的数值优化方法具有更好的适用性;优化后多级套管式相变蓄热系统可有效提高相变蓄热系统的平均蓄热速率,降低火积耗散热阻;随着相变材料导热系数增大和传热管长度增加,多级套管式相变蓄热系统最优融化温度的温差愈加明显,其强化传热性能呈上升趋势。     

圆柱形等距螺旋盘管式相变蓄热装置蓄热性能研究

文章设计了一种以石蜡为相变材料的圆柱形等距螺旋盘管式相变蓄热装置,并通过实验分析了该装置的传热特性,以及传热流体入口温度、入口流量对石蜡的融化特性、相变蓄热装置的蓄热量及相变蓄热系统总传热系数的影响。分析结果表明:融化后期,石蜡的融化速率会明显加快;当传热流体入口温度一定时,随着入口流量逐渐增大,蓄热装置的最终显热蓄热量略微升高;与传热流体入口流量相比,传热流体入口温度对石蜡融化速率影响较大;相变阶段,石蜡的传热性能较强,传热流体入口温度越高,石蜡的传热性能越不稳定。     

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。     

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。     

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的椭圆外壳可使蓄热时间缩短53.5%。热源温度升高,椭圆外壳的强化传热效果进一步增强,相变材料的导热系数及初始温度对装置热性能的影响较小。     

相变蓄热同心套管传热模型和性能分析

建立了一种简便的相变蓄热同心套管传热模型,用来求解相变材料在相变过程中流体温度和相变界面随时间和向位置的变化规律,模型中考虑了相变材料导热热阻和有效传热面积随时间和位置的变化,适用于流体入口温度和流量随时间变化的情况,计算值与有关文献值吻合,验证了模型的正确性。藉此模型对文献「７」中相变贮能换热器的储、放热性能进行了模拟分析。     

应用于日光温室墙体的相变材料热物性优化研究

建立日光温室计算传热模型,以室内空气温度和墙体内表面温度为指标,通过实验方法验证了所建立的传热模型准确性,最后分析相变材料相变温度、相变焓、导热系数、密度等热物性对室内最低温度和相变蓄热率的影响规律,确定被动式相变蓄热墙体和主-被动式相变蓄热墙体的最佳相变材料热物性,阐明了实际应用时相变材料选择原则。研究结果表明,所建立的日光温室传热模型具有较高准确性,可用于日光温室墙体相变材料热物性优化;主-被动式相变蓄热墙体最佳相变材料的相变温度为27 ℃,相变焓为200 kJ/kg,导热系数为0.35 W/（m·K）,密度为440 kg/m³,被动式相变蓄热墙体最佳相变材料的相变温度为26 ℃,相变焓为200 kJ/kg,导热系数为0.35 W/（m·K）,密度为792 kg/m³;最佳相变材料热物性应用时,2种墙体室内最低温度均可达到15.0 ℃,但是被动式相变蓄热墙体的相变蓄热率较主-被动式相变蓄热墙体减小29.5%。本研究可为相变材料在日光温室的高效利用提供参考。     

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。     

同心套管石蜡相变熔化数值模拟分析

以相变材料石蜡作为研究对象,采用数值模拟方法分析同心套管蓄热装置(以下简称蓄热装置)内换热管与石蜡相变的温差(以下简称换热温差)对石蜡相变传热的影响。研究石蜡在不同换热温差下随时间变化的液相率和熔化速率。6种工况下的相变传热过程均为自然对流传热与导热的共同作用,自然对流传热对熔化过程起关键作用,加快了石蜡的熔化速率,上半部分的熔化速率远大于下半部分,造成石蜡液相率分布的不均匀性。换热温差越大,相同时刻的石蜡液相率越大。下半部分未熔化的石蜡未受到浮升力的作用,且未熔化的石蜡离加热管壁面越来越远,导致热阻越来越大,熔化需要的时间越长。采用3/4熔化时间能够提高蓄热效率。     

组合式相变材料蓄热系统中相变温度分布研究

建立了组合式相变材料蓄热系统物理模型，在忽略显热的假设条件下研究了相变温度呈线性分布的组合式相变材料蓄热系统传热特性，得出了最优线性相变温度分布，并采用考虑显热的数值计算（有限差分法）证实了理论分析得出的最优相变温度与实际相变温度分布几乎相同。     

强化太阳能相变蓄热技术的研究进展

为解决太阳能的间歇性问题,常将其与相变蓄热技术进行结合。与传统显热蓄热相比,相变蓄热可将蓄热能量提高数倍以上,具有巨大的研究和应用价值。本文总结分析了相变蓄热的传热机制及在强化太阳能相变蓄热技术上的研究手段,如变换蓄热结构、添加肋片、使用相变胶囊、充注多相变材料、蓄热材料中添加高导热物质等。分析结果显示,相变传热机制中,融化过程主要考虑对流换热,凝固过程热传导占主导;使用肋片、相变胶囊等,主要增大相变材料接触面与蓄热体的比值,进而改善传热;蓄热材料添加高导热物质,可以改善相变材料的团聚、结核及使用寿命,从而提高导热性能,其中添加泡沫金属效果最为显著。     

基于石墨烯气凝胶的定形相变材料储热性能研究

使用石墨烯气凝胶(graphene aerogel,GA)为导热骨架,十六醇作为相变材料,制备出一种用以储热的定形相变材料。利用FITR、XRD、SEM、激光闪光法和DSC等手段对样品的微观形貌、化学结构以关键热物性进行了表征,同时也测试了样品实际吸/放热的速率。结果表明,GA的多孔结构可以有效防止相变材料的泄露。同时,高导热的石墨烯在相变材料中建立起额外的导热通路,使得样品的导热系数提高了20%。重复吸放热50次后发现,样品的融化/凝固焓并没有因为GA的加入明显下降,分别为229.2和229.5kJ/kg。吸/放热温度曲线表明,在以导热为主的传热过程中,拥有更高导热系数的定形相变材料比纯十六醇具有更快的融化/凝固速率。而在自然对流为主的传热过程中,由于GA较强的毛细作用,十六醇的流动性被削弱,定形相变材料的融化/凝固速率低于纯十六醇。     

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。     

相变储能堆积床传热特性的研究

基于多孔介质传热理论,建立了储能堆积床的传热模型.在此基础上分析了换热流体流量、温度、单元尺寸、相变材料导热系数和孔隙率等参数对堆积床传热特性的影响.研究表明,提高相变材料的导热系数,增大换热流体温差或减小单元尺寸对堆积床传热速率有明显提高,而提高换热流体流量,增大对流换热系数对传热速率的影响不明显.因而强化相变材料侧的传热过程是提高堆积床传热速率的有效途径.     

套管式相变储热单元储热换热性能的研究

基于石蜡相变材料,对同心套管式相变储热单元的融化过程进行了二维非稳态数值研究。在考虑自然对流的前提下,对比了内传热管和外传热管储热单元的换热特性,得到了相变材料的温度场分布、流线图和相变界面位置随时间的变化规律,并研究了史蒂芬数、瑞利数对储热换热性能的影响。结果表明,在融化相同体积相变材料前提下,外传热管储热单元可以缩短60.7%的融化时间,换热特性明显优于内传热管式储热单元,这对与变储热装置的优化设计提供参考依据。     

季戊四醇与三羟甲基乙烷相变材料蓄热性能研究

对一类可用于太阳能中温蓄热的有机相变材料性能进行实验分析。相变蓄热材料具有储热密度大、温度波动小等优点,但也存在导热系数低、过冷度较大的问题,对相变材料进行复合,能有效改善其相变特性与导热性能。利用高温融化-混合的方法制备季戊四醇(PE)与三羟甲基乙烷(PG)的混合材料,使用DSC仪器分析相变温度与相变潜热,同时研究不同形核剂对混合材料的相变温度、过冷度的影响。利用压制成型—融化吸附—冷却的方法制备膨胀石墨与PE、PG的复合相变材料,用激光导热系数测试仪测试复合相变材料的导热性能。结果表明,PE与PG混合相变材料的相变温度区间基本在25℃以上,过冷度约15℃,膨胀石墨作为形核剂,使过冷度有一定减小。增加复合相变材料中膨胀石墨的含量能提高材料各个方向的导热系数。     

相变蓄热供热装置热性能试验研究与系统经济性分析

为分析相变蓄热装置在充热和放热过程中的热性能,设计并搭建一套相变蓄热供热装置中试实验系统,研究主要运行参数对相变蓄热装置热性能的影响;在此基础上,结合项目案例,对相变蓄热供热系统经济性进行分析。结果表明：相变材料(Phase Change Material, PCM)凝固过程中的传热主要受相变介质内部导热控制;而在其熔化过程中自然对流对传热起重要控制作用;蓄热装置充热速率快于放热速率。提高传热流体流量有助于增强PCM中的热传递,缩短充/放热时间,但蓄热装置内PCM温度分布均匀性有所降低;为降低系统能耗,提高储放热效率,优先选用小流量进行充/放热。该相变蓄热供热项目的动态投资回收期为3.55年,具有良好的经济性。研究结果可对相变蓄热供热系统的设计及应用推广提供参考依据。     

低温热水型相变蓄能地板采暖房间动态热性能研究

提出一种采用相变材料蓄能的低温热水地板采暖系统形式。建立反映该采暖地板在应用房间中动态传热过程的数学模型,该模型可用于模拟研究不同材料蓄能地板在房间中的热性能;对比研究低温热水型相变材料潜热蓄能式采暖地板与混凝土显热蓄能式采暖地板的热性能差异。分析相变材料的相变温度、相变潜热和导热系数等因素对该地板采暖房间热性能的影响。研究结果显示相变材料潜热蓄能式地板具有蓄热效率高、室内温度波动小和室内平均温度高等特点。     

新型定形板状相变材料的蓄/放热特性

对填充了新型定形板状相变材料的蓄热槽的蓄／放热特性进行了数值计算分析和实验比较。根据数值计算，对影响蓄热槽蓄／放热特性的主要因素——相变材料的几何尺寸、相变材料的导热系数、流体流速、对流放热系数、相变材料填充率等的影响规律进行了分析研究，计算出了蓄热槽内温度分布随时间的变化；并在实验台上测试了蓄热槽初始温度、流人和流出蓄热槽流体温度、作为蓄热体的相变材料测点温度随时间的变化，计算结果与实验结果具有较好的一致性。     

同心套管换热器内石蜡储热过程的数值模拟

对同心套管换热器内石蜡的储热进行数值模拟,获得了不同热流体进口温度下的相变储热特征规律。结果表明热流体的温度升高导致石蜡融化速度加快,石蜡的融化时间逐渐缩短,其下降速率分别为41%,29%,储能过程储存热量增多。研究发现石蜡融化前传热方式以导热为主,融化过程中对流换热逐渐增强并占据主导地位,导热占据次要地位。提高热流体的入口温度能显著缩短融化时间提高储热效率。文中的模拟结果与文献的实验及模拟结果进行了对比验证,吻合较好,相对偏差不超过20%。