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。     

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。     

日光温室相变蓄热墙体最佳组合厚度的模拟研究

为合理确定日光温室复合相变墙体蓄热层与保温层的最佳厚度,该文从日光温室墙体动态传热特性角度出发,通过EnergyPlus热保温性能的增大随蓄热层与保温层厚度的增加是有限的,对于天津地区,推荐使用的日光温室三重结构墙体的最佳组合厚度为40 mm(expanded polystyrene board,EPS),其中40 mm PCM的复合相变墙体与同热阻的土墙、砖墙相比最高温度分别降低1.65、2.59℃,最低温度分别提高2.04、2.90℃,可明显减小温室全天温度波幅,有效改善温室热环境的整体水平;土地占用面积比同热阻的土墙、砖墙分别减少81%、60%,可提高土地利用率。     

相变材料蓄热系数的计算方法

为解决现有围护结构热性能评价方法无法适用于复合相变围护结构的问题,应用因次分析法和仿真模拟法,分析相变材料蓄热系数与其热物性的关系,进一步构建相变材料蓄热系数的计算方法。研究结果表明,相变材料的蓄热系数与其密度、导热系数、有效比热容的二次幂成正比关系;所研发的相变材料蓄热系数为16.20 W/(m~2·K),分别为夯实土壤、砌块砖和聚苯乙烯板的1.24倍、1.54倍和45倍。因此,在围护结构中添加相变材料可改善围护结构的热稳定性。研究结果可为相变材料在建筑中的高效应用与科学评价提供方法参考。     

基于■理论的多级套管式相变蓄热系统优化

基于最小■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、■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,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■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。     

蓄热层构筑方式对日光温室复合相变墙体蓄热性能的影响

为了明确日光温室墙体蓄热性能是否与日光温室墙体层的构筑方式以及所采用的建筑材料热工性能相关联,该研究将相变材料与普通建筑基材分别以直接掺混方式与分层涂抹方式构筑复合相变墙体蓄热层,于2015-11-15~2016-03-15对天津市西青区天津城建大学实验基地不同墙体构型的日光温室开展实验研究,并以分层式日光温室和直混式日光温室为研究对象,对比分析两处理温室各墙体温度分布、室内空气温度分布以及温度变化规律。结果表明:直混式构筑方式相比分层式更能发挥相变材料的功能作用,有效改善温室热环境的整体水平;直混式墙体蓄热层相比分层式更能发挥削峰填谷的作用以及蓄放热性能,更好地体现其热稳定性及节能特性;相变墙体蓄热能力的大小与墙体蓄热层的构筑方式相关联。     

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。     

Preparation and characterization of building mortar with lauric acid-stearic acid/expanded vermiculite composite phase change material

以改性膨胀蛭石为吸附材料,以月桂酸和硬脂酸为相变材料,通过熔融共混法与真空吸附法制备定型复合相变材料,然后将其掺入砂浆中制备得到蓄热砂浆。结果表明：复合相变材料经过1000次循环后相变焓为167.6 kJ/kg,变化率仅为3.6%,热稳定性良好,无渗漏现象,掺入30%体积含量复合相变材料的砂浆28 d强度为9.2 MPa。掺有该定型相变材料的蓄热砂浆具有优异的热力学性能,完全可以应用于建筑物围护结构来调节室内温度。     

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。     

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。     

分级相变储放热系统在日光温室中的应用效果

针对北方日光温室夜间室内低温问题,该文以收集利用温室内白天富余太阳能为目标,在理论分析相变材料特性的基础上,开发基于管材封装方式的两级相变储放热系统,并通过对比试验,在北京地区的日光温室中开展冬季应用效果试验。结果表明,所开发系统对冬季室内空气温度和土壤温度均有良好的增温效果。其中,空气温度方面,在试验周期内,试验温室夜间（17:00—次日08:00期间）平均室内气温比对照温室平均提高1.0 ℃,最低气温平均提高1.2 ℃;在晴天、多云不同天气条件下,试验温室的夜间平均气温分别提高1.3、1.2 ℃,最低气温分别提高1.5、1.7 ℃;在两天一夜未盖保温被的阴雪天气条件下,试验温室的室内气温全程高于对照温室,最大温差仍有1.9 ℃。在土壤温度方面,晴天和多云天气下,试验温室10和15 cm处的土壤温度平均提高0.6和0.8 ℃,研究表明所开发系统具有良好的持续储放热能力,能改善日光温室的冬季热环境。     

Thermal analysis of a direct-gain room with shape-stabilized PCM plates

The thermal performance of a south-facing direct-gain room with shape-stabilized phase change material (SSPCM) plates has been analysed using an enthalpy model. Effects of the following factors on room air temperature are investigated: the thermophysical properties of the SSPCM (melting temperature, heat of fusion and thermal conductivity), inner surface convective heat transfer coefficient, location and thickness of the SSPCM plate, wall structure (external thermal insulation and wallboard material) etc. The results show that: (1) for the present conditions, the optimal melting temperature is about 20 °C and the heat of fusion should not be less than 90 kJ kg⁻¹; (2) it is the inner surface convection, rather than the internal conduction resistance of SSPCM, that limits the latent thermal storage; (3) the effect of PCM plates located at the inner surface of interior wall is superior to that of exterior wall (the south wall); (4) external thermal insulation of the exterior wall obviously influences the operating effect and period of the SSPCM plates and the indoor temperature in winter; (5) the SSPCM plates create a heavyweight response to lightweight constructions with an increase of the minimum room temperature at night by up to 3 °C for the case studied; (6) the SSPCM plates really absorb and store the solar energy during the daytime and discharge it later and improve the indoor thermal comfort degree at nighttime.     

正交各向异性相变材料的无网格法传热模型及应用

利用无网格迦辽金(EFG)法建立正交各向异性相变材料的传热计算模型,基于该模型编程完成各向异性材料太阳能相变蓄热水箱和管壳式相变蓄热单元的相变传热分析,并探讨热导率因子和材料方向角对复合材料相变传热特性的影响.研究表明:在相同节点布置下EFG法的温度场和相界面计算精度均高于有限元法,EFG法在动态相界面追踪方面具有明显...     

固-固相变蓄热材料在太阳能高温空气集热系统中的应用研究

为利用太阳能获得稳定持续的高温空气工质,除了有效集热外,还需要解决因太阳辐射强度变化导致输出工质温度波动的问题。在性能优良的太阳能集热系统中采用蓄热技术是解决此问题的有效途径。根据给定的设计目标,研究将固-固相变蓄热材料季戊四醇应用到太阳能集热蓄热一体化的实验装置中。实验结果表明:按集热蓄热一体化思路设计的实验装置,集热单元能够输出最高温度超过220℃的高温空气,蓄热单元能够将高温空气的温度稳定在蓄热材料的相变温度附近。并且随着蓄热管级数的增加,空气出口温度稳定的时间就越长,为利用太阳能获得稳定持续的高温热媒工质奠定了基础。     

Analytical optimization of interior PCM for energy storage in a lightweight passive solar room

Lightweight envelopes are widely used in modern buildings but they lack sufficient thermal capacity for passive solar utilization. An attractive solution to increase the building thermal capacity is to incorporate phase change material (PCM) into the building envelope. In this paper, a simplified theoretical model is established to optimize an interior PCM for energy storage in a lightweight passive solar room. Analytical equations are presented to calculate the optimal phase change temperature and the total amount of latent heat capacity and to estimate the benefit of the interior PCM for energy storage. Further, as an example, the analytical optimization is applied to the interior PCM panels in a direct-gain room with realistic outdoor climatic conditions of Beijing. The analytical results agree well with the numerical results. The analytical results show that: (1) the optimal phase change temperature depends on the average indoor air temperature and the radiation absorbed by the PCM panels; (2) the interior PCM has little effect on average indoor air temperature; and (3) the amplitude of the indoor air temperature fluctuation depends on the product of surface heat transfer coefficient h_in and area A of the PCM panels in a lightweight passive solar room.     

A numerical study on heat storage water tank containing phase change materials for air source heat pump systems

构建空气源热泵-相变蓄热水箱供暖系统,通过相变储能技术的合理应用,优化了太阳能、空气热能等非连续能源的供能方式,有效提高了建筑中可再生能源的利用率。相变蓄热系统采用了6 m³的保温水箱作为蓄热容器,选取46#石蜡为主要相变材料,304#不锈钢管为封装材料。建立蓄热系统的三维数学模型,采用有效热熔法对相变材料的焓值进行处理,运用Fluent数值模拟软件,研究相变蓄热系统的蓄放热性能。模拟结果显示,系统的蓄热时间为9.2 h,理想蓄热量为102.4 kW·h,能够单独提供低能耗建筑连续采暖11.1 h。空气源热泵-相变蓄热水箱供暖系统能实现大跨度的间歇供暖,在利用非连续能源供暖领域具有良好的前景。     

Integration of solar air collector with phase change material wall for a heating system

可再生能源的高效利用是降低建筑能耗的有效方法。将相变储能墙与太阳能热风相结合,可改善太阳能热风采暖的不稳定性,从而提高太阳能的利用效率。通过试验和ANSYS模拟软件对复合系统的分析,确定相变储能墙体的储热特性和合理用量,研究复合采暖系统的室温变化和传热规律,分析相变储能墙对采暖系统的贡献率。结果表明：与未采暖房间相比,复合采暖系统可以使室内平均温度提高7~15℃,该复合采暖系统具有一定的应用前景;当太阳能空气集热器的送风口温度在37~77℃时,相变材料能够充分利用,相变墙整体的相变比例约为40%,从线性回归比例看,复合采暖效果要比太阳能热风采暖效果好。     

金属基相变材料的研究进展及应用

金属基相变材料由于具有储能密度高、热稳定性好、热导率高等优点,在潜热热能储存系统中具有极大的优势。本文回顾了金属基相变材料的发展历程,归纳了金属基相变材料的性能参数,总结了各种热物性的测量方法,探讨了金属基相变材料与容器材料的相容性问题,分析了金属基相变材料在太阳能热发电、工业余热回收和电力削峰填谷中的应用前景。金属基相变材料的高温腐蚀性是目前限制其在热控制中应用的主要因素。为了实现金属基相变材料的广泛应用,需要重点解决金属基相变材料的封装问题。     

基于平板热管的太阳能-空气能双源集热蒸发器性能实验研究

设计一种基于平板热管的太阳能-空气能双源集热蒸发器及由其组成的新型直膨式热泵系统,并对其进行实验研究与分析。实验测试平板热管在制冷剂低温取热条件下的均温性与导热性能,热泵运行工况下集热蒸发器表面温度分布、光电光热性能,以及在不同天气条件不同运行模式下热泵系统性能。结果表明,平板热管在低温取热条件下当量导热系数可达6.8×10⁵W/(m·℃),集热蒸发器运行时纵向最大温差为3.9℃;在夏季晴朗天气条件下运行太阳能模式制热水时热泵平均COP为3.62;在低辐照阴天下运行太阳能-空气能双源模式与太阳能模式相比,单位面积集热功率提高18.8%,系统平均COP提高5.7%;在无辐照的夜晚,运行空气源模式系统COP为2.54。