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。     

混合式填充床熔盐蓄热系统热性能分析

基于混合扩散中心对称(D-C)模型,考虑自然对流现象对液态相变材料(PCM)导热性能的影响,建立填充床蓄热系统的热力学模型,开发数值计算程序并通过文献实验数据对其进行验证。研究混合式填充床熔盐蓄热系统在工程规模下蓄、放热过程的循环热特性;从温度分布和填充床热装载率分布的角度评价蓄热系统的热力性能;并研究填充床结构对蓄热系统放热时间和系统容量因子的影响规律。结果表明随着总相变填充比例的增加,系统容量因子呈先增大后减小的趋势,系统放热时长则一直增加,且增幅逐渐减小;在一定的总相变填充比例下,存在最优的高、低温相变填充层体积比使系统的放热时长和容量因子达到最大值。     

多区相变材料填充床储热性能数值分析

为进一步提高相变储能填充床储热性能,运用计算流体力学软件Fluent采用DEM-CFD数值模拟方法对轴向填充不同熔点颗粒的填充床进行了储热过程的数值分析。在分别填充了240和480个相变材料颗粒的直径为200 mm的相变储能填充床内,探究沿热流体流动方向分层逐级排布更低熔点相变材料的排布方式对填充床的储能速率、储能效率、热流体和相变储热材料温度分布的影响。研究表明：在轴向分层排布不同相变点的相变材料会对床内轴向温度场有显著影响;分层排布的方式使填充床的储能速率、储能效率均得到了提高,240和480颗粒填充床平均储能速率分别提升约31.0%和25.1%。     

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。     

相变胶囊堆积形态对蓄热系统性能的影响分析

建立相变蓄热胶囊的三维有序及无序堆积模型,在此基础上分析相变蓄热胶囊有序及无序对蓄热系统特性的影响。通过对蓄热系统的蓄热量、蓄热用时、蓄热效率及系统内温度分布等关键性能指标情况分析,提出一种判定蓄热终点的新方法。结果表明:当采用有序堆积时系统的各项性能指标最优,叉排堆积时蓄热效率最低,而无序堆积时蓄热总量最少。另外,换热流体流速增加可加快蓄热过程,但此时蓄热系统蓄热效率较低。     

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。     

基于多相变材料的分腔式蓄热器蓄热性能优化

通过数值方法建立基于多相变材料的分腔式蓄热器模型,研究4种模型的的蓄热特性,并通过温差分析选择RT25和LA这2种不同熔点的PCM组合,提出不同填充形式的组合方案。数值模拟结果表明:当采用上下分腔结构时,下部腔室低熔点相变材料的选择,应根据单一相变材料完全融化时,上下腔室的温度差来作选择;此外,所采用的单独多相变材料组合和单独加肋片分腔2种优化方法具有近似的蓄热效率,但当两者结合时,蓄热效率可得到很大提升,完全融化时间可减少72%;另外,当考虑环形分腔的不同PCM组合方案时,沿径向温度分布,填充不同相变材料有更好的蓄热效果。     

NaCl共晶盐相变球堆积床气流蓄冷特性

相变蓄冷在建筑空调、家用冰箱和食品储存等领域应用广泛。相变球堆积床是一种典型的蓄冷系统,具有结构简单和蓄能密度大等特点。文中以NaCl共晶盐为蓄冷介质,建立了低温柱状垂直堆积床传热模型,计算了不同蓄冷球尺寸、堆积床高径比和空气质量流量条件下的蓄冷量和空气进出口压降。结果表明:在堆积床体积相同时,减小蓄冷球直径能够增加堆积床的蓄冷量,但堆积床进出口压降会增大;减小堆积床的高径比能显著提高堆积床的蓄冷速率,同时减小压降;增加入口空气的质量流量能明显提高蓄冷速率,而空气进出口压降则随之增大。     

相变蓄热式家用太阳热水系统国外研究进展

综述了国外相变蓄热材料在家用太阳热水系统中的应用研究进展情况;指出相变蓄热材料的应用可以提高系统的集热效率;能量蓄积密度和太阳能保证率。材料的性质（如导热系数、熔点、比热容,相变潜热、密度等）、设计参数（蓄热材料的体积、换热管的数量和位置）以及材料的包装方式（形状和大小）影响系统性能（包括效率、出水温度、热水可用时间、热损及蓄放热速率）。     

基于相变蓄热和热电转换的低品位热能热/电联合回收实验研究

针对低品位热能回收,提出一种采用相变蓄热及热电转换技术以实现热能/电能联合回收利用的新方法,回收的热能用于加热连续供给的冷媒水并同时发电。搭建实验系统对其热/电回收性能进行实验研究,结果表明:综合相变材料(PCM)温度及温差变化曲线可较好地反映出系统的相变蓄热规律,冷媒水温升及热电转换量明显且存在由PCM相变效应引起的平稳变化段,占PCM主要相变阶段的16.7%。增加冷媒水流量及热电转换单元(TEM)数量会降低冷媒水温升、提高热电转换量。冷媒水流量、热源输入功率和TEM数量为影响热/电回收性能及蓄、放热时间比的主要因素。间歇性蓄、放热循环实验中冷媒水温升和热电回收功率分别稳定在6~13℃和0.020~0.085W,显示该文提出的热回收方法对间歇性热能回收具有较好的稳定性。     

多孔基无机复合相变材料的蓄热特性

添加多孔介质是提升PCM(相变材料)热导率、缩短其熔化时间的有效手段。本工作通过建立具有不规则分布多孔骨架的CPCM(复合相变材料)物理模型,系统研究了孔隙度、孔径、骨架形状对其蓄热特性的影响,并探讨了蓄热能力与蓄热速率之间的关系。结果表明,随着孔隙度的减小,CPCM的熔化速率增大,固液态PCM密度差引起的重力驱动力使PCM产生自然对流现象,加速了熔化过程。在相同孔隙度(0.80)下,当孔径越小时,多孔骨架表面积越大,所吸收的热通量越大,相变材料熔化越快。具有四面体形状骨架的CPCM由于具有最大比面积30.02 mm^-1,41 s内便完成熔化,相比比面积为19.93 mm^-1的二十面体快了13.5 s。孔隙度的减小虽有利于CPCM的熔化,但也会削弱其蓄热能力,本工作所确定的平衡孔隙度为0.80,可使CPCM的有效热导率达到8.07 W/(m·K)。因此,本工作可为低温蓄热材料提供理论依据和参考。     

高温相变蓄热器数值模拟与实验研究

高温相变蓄热器是空间太阳能热动力发电系统的关键部件之一,相变材料(PCM)蓄热是其中的关键技术。对以LiF-CaF2为PCM和以干空气为工质的蓄热系统进行了地面实验,并分别建立了相应条件下填充纯PCM和泡沫复合相变材料(FCPCM)的蓄热单元管数学模型。经过数值计算得到结果表明,纯PCM蓄热单元管计算值与实验数据吻合得很好,表明了计算模型的有效性;此外,对填充纯PCM和FCPCM的蓄热单元管的计算结果进行了比较,结果表明,泡沫的填充强化了PCM的导热性能,提高了蓄热系统的热性能。     

相变材料蓄热过程强化的数值模拟研究

采用焓-多孔介质法,分别对内嵌针状翅片以及填充多孔泡沫金属的相变热沉装置内相变材料的熔化过程进行三维数值模拟,分析不同加热热流、翅片数量、间距、高度对蓄热过程的影响,对比内嵌翅片和填充多孔泡沫金属的热沉装置的蓄热能力。结果表明,随着热流密度的增加,蓄热速率明显加快,蓄热时间缩短。随着翅片数量的增多,相变材料的导热能力得到明显改善。翅片排布过于稀疏或紧密,导热能力的强化效果都不如均匀排布时明显。随着翅片高度的增加,相变材料的导热能力有明显的提升。通过比较发现,多孔泡沫金属对蓄热速率的强化效果比针状翅片更加明显。     

石墨泡沫/共晶盐复合相变材料制备

选择KNO3/NaNO3二元体系按照质量比4∶6制备共晶盐,对共晶盐进行了熔点及熔化潜热的测量;将石墨泡沫这一新型材料作为强化基体,共晶盐作为相变材料（PCM）,采用熔融浸渗法制备了适用于太阳能热发电系统储能装置的石墨泡沫/共晶盐复合相变材料。采用扫描电镜对复合相变材料表面的微观结构进行了表征,并对其熔点、潜热、等效导热系数等热物性参数进行了测试。结果表明：共晶盐与石墨泡沫复合效果比较理想;复合前后共晶盐的熔点和潜热几乎没有发生变化;复合相变材料的等效导热系数得到了显著提升,石墨泡沫对相变材料起到了导热强化作用,满足高温蓄热的要求。     

适用于废热回收的相变蓄热装置数值模拟与实验研究

固-液相变潜热蓄热技术是一种极具前景的工业废热回收方式,通过管壳式换热器可利用相变材料(PCM)吸收工业废热加以储存再用于加热水,从而实现了工业废热的回收利用.对填充高导热多孔筛网的管壳式潜热蓄热单元(LHSU)建立了二维数学模型,并对填充与未填充筛网的蓄热容器一同进行了相变蓄热实验.实验结果表明,填充筛网能够有效改善PCM的传热性能;实验数据和计算值吻合的较好,证明了计算模型的有效性.利用计算模型,对3种PCM(石蜡P116、硬脂酸和软脂酸)蓄热系统进行了数值计算.结果表明,采用软脂酸的蓄热系统热性能最佳,能很好地满足供应生活热水的设计要求.研究结论对蓄热系统的设计和性能优化有一定的指导作用.     

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。     

谷电利用复合石蜡蓄热材料的制备及供暖墙体构造实验

针对石蜡作为相变蓄热材料导热性能差、供热能力不足的问题,向石蜡中添加膨胀石墨(EG)制备导热性能增强的复合相变材料(PCM),探讨EG与石蜡的配比对复合PCM热性能的影响.测试结果表明,当EG质量分数达到12％时,复合PCM的导热系数提升至纯石蜡的12倍,相变潜热从纯石蜡的190.8 J/g减小至152.1 J/g,相...     

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。     

相变蓄热装置内温度场的模拟与实验研究

对螺旋盘管相变蓄热装置性能和相变材料(PCM)的传热特性开展模拟和实验研究,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。     

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.