球形容器内复合相变材料的约束熔化传热过程

为评估高导热填料对复合相变材料熔化传热过程的影响,采用实验方法定量分析典型球形容器中添加石墨纳米片的十二醇基复合相变材料的约束熔化传热过程.以熔化过程中的瞬时质量熔化率为比较对象,对石墨纳米片的质量分数和恒温加热边界条件进行参数化研究.实验结果表明,随着质量分数的增加,复合相变材料的熔化传热过程从以自然对流为主导逐渐转变为以导热为主导.在所研究的工况范围内,虽然复合相变材料的导热系数有一定程度的提高,但不足以弥补黏度增长所引起的自然对流削弱效应,反而使得熔化过程有所减缓.通过数据拟合得到了熔化率随傅里叶数、斯蒂芬数和格拉晓夫数等特征无量纲数变化的实验关联式,其预测精度在15%以内.     

碳纳米管填料对相变储能式热沉性能的影响

为了评估纳米复合相变材料在相变储能式热管理技术中的应用潜力,采用实验方法研究碳纳米管填料对相变储能式电子器件热沉瞬态性能的影响.选用十六醇为基底相变材料,以多壁碳纳米管为填料制备了不同质量分数（0.3%、1%和3%）的纳米复合相变材料,对复合相变材料的关键热物性进行表征.在短时较高热流密度（高达7.0 W/cm2）加热条件下,比较热沉（分为有翅片和无翅片2种结构）的瞬态性能随纳米复合相变材料中碳纳米管质量分数的变化规律.实验结果表明,在添加了碳纳米管填料之后热沉的性能较采用纯十六醇的工况有所削弱.虽然加入碳纳米管后纳米复合相变材料的导热系数有所提升,但黏度的急剧增加极大地削弱了熔化过程中的自然对流效应,从而抵消了导热强化所带来的性能提升.     

水基碳纳米管纳米流体在矩形腔内的自然对流传热

为了评估碳纳米管在强化传热技术中的应用潜力, 采用实验方法研究水基碳纳米管纳米流体在矩形封闭腔内的自然对流传热性能, 由实验得到瑞利数为1.92×105～2.52×106范围内不同颗粒体积分数的纳米流体沿矩形封闭腔热流方向的平均努塞尔数分布.采用瞬态热线法和旋转黏度仪测量水基碳纳米管纳米流体的导热系数和黏度,探究纳米流体导热系数和黏度与纳米颗粒体积分数的变化关系,分析纳米流体导热系数和黏度对纳米流体自然对流传热的影响.结果表明:在封闭腔内纳米流体沿热流方向的平均努塞尔数随着瑞利数的增加而增大,封闭腔内对流传热不断增强;与水的自然对流传热相比,在低瑞利数(Ra＜8.5×105)时,纳米流体自然对流传热效果随着颗粒体积分数的增加而增强;在高瑞利数(Ra＞8.5×105)时,体积分数为0.48%的纳米流体的平均努塞尔数比水大,自然对流传热得到强化,而体积分数为1.45%的纳米流体的平均努塞尔数比水小,自然对流传热减弱.     

石墨填充复合相变储能材料导热性能和稳定性能研究

以三水醋酸钠作为储能单元、环氧树脂为载体制得复合相变储能材料,它在熔点温度时表现出很强的稳定性和储能效果.通过向复合相变储能材料中添加导热率高的且具有多孔吸附性的膨胀石墨,可进一步提高导热性能和密封性能.结果表明,当三水醋酸钠质量分数为60％,膨胀石墨为5％时,相变储能材料相变焓为148.5 J/g,导热率为0.891 W/(m℃),且稳定性良好.     

CaCl2·6H2O/EG复合相变材料的制备与性能研究

为了改善六水氯化钙的蓄放热性能,以六水氯化钙为相变材料（PCM）、膨胀石墨（EG）为载体、六水氯化锶为成核剂,采用物理吸附法制备六水氯化钙/膨胀石墨复合相变材料,研究复合相变材料的热物理特性. 采用步冷曲线法,研究复合相变材料的过冷度、蓄/放热性能和热循环稳定性;采用扫描电镜、差示扫描量热法、热流计导热仪,对复合相变材料的显微形貌、相变潜热、相变温度、比热容和导热系数进行测定. 结果表明：在六水氯化钙中添加质量分数为10%的膨胀石墨和质量分数为2%的六水氯化锶,复合相变材料的相变潜热为151.6 J/g,导热系数提升至3.328 W/(m·K),过冷度保持在2 °C以内. 相变材料的导热系数及过冷度得到显著改善.     

硬脂酸甘油酯/泡沫金属相变材料储热性能

利用真空熔融浸渍法制备单硬脂酸甘油酯(GMS)/泡沫金属复合相变材料,并利用纳米石墨片(GnPs)进行改性实验,研究改性后的性能;对复合相变材料进行导热率、SEM、XRD、DSC测试。结果表明,复合相变材料制备过程中无反应,有较好的相容性;有机物较好地吸附在泡沫金属骨架上,经GnPs改性后,在金属孔隙中形成纳米级的层状褶皱结构,提高了吸附性和热导率;复合相变材料的相变潜热随填充量的增大而增大,PPI大的泡沫金属对GMS吸附更好,但是热导率有所降低,GnPs改性后甘油酯的填充量和材料导热系数均有所提高。     

混合纳米填料对复合相变材料导热系数的影响

为了研究混合纳米填料对复合相变材料导热系数的影响,制备以碳纳米管和银(或氧化铝)纳米颗粒为二元混合填料的有机类复合相变材料.采用瞬态平面热源法导热仪对复合相变材料在室温下固态时的有效导热系数进行测试.研究中综合考虑填料总加载量、碳纳米管/纳米颗粒的配比以及基底相变材料对复合相变材料有效导热系数的影响.实验结果表明,碳纳米管和纳米颗粒填料之间是互相抑制的,混合纳米填料所导致的复合相变材料导热系数增长甚至低于仅添加单一碳纳米管或纳米颗粒时的效果.在本研究所关注的较低的总加载量下(最高体积分数为1.5%),尚不足以构建出能够实现混合填料协同效果的有效导热网络.纳米填料分布的微观表征图片证实,虽然混合填料各自的分布都较为均匀,但导热机理的差异和较高的界面热阻使得不同纳米填料之间无法体现出理想的协同效应,反而导致当单一纳米填料之间的导热通路被破坏时会呈现出反效果.     

蛇形管蓄能箱蓄热过程的数值模拟

对蛇形管换热及相变材料熔化的传热理论进行研究,利用Fluent软件对蓄能过程中蛇形管热交换及相变材料熔化过程进行数值模拟,得出了一套经济合理且能满足项目蓄能要求的设备,制作了实验用的设备并进行实验验证,得出建立的模型是比较合理的。研究表明：自然对流换热对相变材料的熔化过程影响较小。     

内插热管式太阳能集热器内相变材料的蓄热/释热特性研究

提出一种蓄能型内插热管式太阳能集热器,在太阳能真空管和振荡热管蒸发段之间充灌相变材料,提高集热器的瞬时集热效率. 利用Gambit软件建立内插热管式太阳能集热器的三维模型,基于FLUENT软件的凝固/熔化模型,以癸酸(CA)为相变材料进行模拟研究,采用Boussinesq近似法对比分析了考虑浮升力前后的真空管内温度场分布、液化率、不同测点的温度曲线的变化,探究了浮升力对集热器内蓄热/释热过程换热规律的影响. 结果表明,相变材料熔化过程中浮升力起着至关重要的作用,使得真空管内顶部的升温速度快于底部. 而凝固过程中浮升力的影响可以忽略不计. 蓄热过程中集热器内相变材料在轴向上的传热方式,固态显热和相变蓄热阶段以导热为主,液态显热蓄热时以对流传热为主,而在径向上始终以导热为主.     

石蜡基纳米金属复合相变材料热性能的实验研究

以石蜡为复合相变材料的基体,分别添加氧化铜、二氧化硅和氧化锌的纳米颗粒通过两步法制备多种石蜡基纳米金属复合相变材料。通过改变所添加纳米金属颗粒种类、质量分数和颗粒粒径,对比分析实验模型内复合相变材料蓄放热过程的温度曲线,来探究以上参数对复合相变材料热性能的影响。结果表明,通过添加纳米金属颗粒的方式能够有效提升石蜡的蓄放热性能,添加氧化铜颗粒的效果要优于氧化锌颗粒和二氧化硅颗粒;复合相变材料的导热系数和动力黏度均随颗粒浓度的增加而增大,两者共同决定着复合相变材料的换热过程能否被强化;纳米金属颗粒的粒径越小,越有利于增强对复合相变材料的热性能,添加30 nm粒径纳米颗粒相对于100 nm粒径纳米颗粒蓄热速率能提升26%,放热速率能提升41%。     

基于孔隙尺度的多孔骨架对固液相变的影响

相变储能材料中加入多孔介质骨架,可以有效地改善相变材料导热系数,增强其结构稳定性,防止相变材料泄漏,促进相变材料在电池热管理、太阳能发电等众多领域的应用。文章采用四参数法生成随机多孔介质骨架,并导入到固液相变两区域模型中,基于格子玻尔兹曼方法,从孔隙尺度分析了无量纲瑞利数(Ra数)、普朗特数(Pr数)、斯蒂芬数(Ste数)对方腔内填充多孔介质骨架固液相变融化传热的变化规律。结果表明:在相变期间传热方式由导热为主向自然对流传热改变,糊状区逐渐发生弯曲; Ra数越大自然对流越强,在达到准稳态阶段时融化率和热壁面平均Nu数都越大; Ste数越小,热壁面平均Nu数越大,相变材料融化速率越慢;在低Pr数(Pr0.1)下,随着Pr数的增加,相变材料的融化速度逐渐增加,但Pr数增加到一定程度(Pr=0.1),继续增加Pr数,当达到准稳态阶段时,相变材料融化率不再发生变化。     

PEG/PAM复合定形相变材料的制备与热性能

为了设计制备具有较高相变焓的复合定形相变材料,采用化学交联法制备半互穿网络型聚乙二醇/聚丙烯酰胺(PEG/PAM)复合定形相变材料,并通过分子动力学模拟计算其导热系数;采用DSC、TG、泄漏率测试和导热系数测试对复合材料的热性能、热稳定性、固-固定形效果和导热性能进行研究.结果表明:随着PAM含量升高,PEG/PAM复合材料的热焓值和泄漏率降低,热稳定性和导热率增加.其中,PEG质量分数为70%时,复合相变材料具有高的相变焓107 J/g、良好的热稳定性和优异的定形效果.通过模拟计算得出的导热系数值和实验值相一致,误差值都小于5%.本结论能对更复杂复合定形相变材料的导热系数进行预测和理论指导.     

泡沫铜/石蜡复合相变材料融化过程的换热特性

为了研究强化相变蓄热器的换热情况,搭建了矩形腔体内填充泡沫金属/石蜡的实验台,在恒壁温条件下,进行了泡沫金属/石蜡复合相变材料的融化蓄热实验。根据实验数据绘制了不同加热温度下石蜡内部温度随时间变化曲线,分析了腔体内自然对流对温度分布的影响、传热温差对蓄热时间的影响。结果表明,泡沫金属的高导热性能强化了石蜡在腔体内的融化过程,距离加热面较近的石蜡融化后产生的自然对流加速了剩余固态石蜡的融化;而且传热温差越大,自然对流越明显,蓄热时间越短。     

石蜡相变蓄热过程数值模拟

相变材料（PCM）相变过程的传热特性对潜热储存过程的有重要的影响．对一种圆环形柱体石蜡相变蓄热材料,分别建立了忽略液相自然对流和考虑液相自然对流相变过程的数学模型,采用FLUENT软件对其蓄热熔化过程进行数值模拟,获得石蜡熔化过程温度场分布、熔化时间以及相界面移动规律,并数值计算了石蜡水平放置和竖直放置时,熔化过程的熔化时间和温度分布．对比两种模型的模拟结果表明,当石蜡材料厚度大于40mm,熔化过程中液相中自然对流作用对熔化过程有较大的影响．     

翅片管式相变储能换热器蓄放热性能的数值研究

针对目前换热器热量利用率不高、换热效率低的问题,提出一种翅片管式相变储能换热器。建立翅片管式相变储能换热器的二维传热模型,采用ANSYS软件对翅片管外相变材料的熔化和凝固过程进行数值模拟,分析不同翅片参数对相变熔化和凝固时间的影响,得出蓄放热阶段的传热规律。结果表明:在蓄热阶段,相变材料在同一高度优先在靠近换热管管壁处开始相变;在同一垂直面上,自上而下熔化。在放热阶段初期,相变区域对流作用较明显,相界线弯曲程度较大;后期时,对流换热作用逐渐减弱,固液相界线趋于平直。翅片的导热系数、厚度、间距的变化会影响相变材料熔化和凝固的时间,其中翅片间距起主要作用。     

石蜡/石墨烯相变材料在多管换热器中的储热性能

采用数值计算方法对填充在多内管换热器中的石墨烯/石蜡复合相变材料的熔化凝固性能进行了深入研究,分析了换热内管数目不同,当换热内管中分别通入一定温度的热水或凉水时,换热器内的相变材料(PCM)在熔化或凝固过程中的温度和液相率(液相体积分数)随时间的变化关系.结果表明:熔化时PCM与换热管之间以自然对流换热为主,凝固时,由...     

纳米填料对储能式散热器性能影响的数值研究

针对储能式电子器件散热器性能受相变材料较低导热能力限制的问题,采用添加高导热纳米填料的方法提高相变材料的表观导热系数,并对储能式散热器的性能提升潜力进行分析. 在短时大功率加热(热流密度为10 W/cm2)的条件下,对以二十烷为相变材料的储能式散热器在添加碳纳米管填料之后的工作过程(熔化和凝固传热)进行了三维数值模拟. 结果显示,由于相变材料表观导热系数的提高,散热器的性能随碳纳米管添加量的增加而提升,其提升程度与添加量呈近似线性相关| 当加入体积分数为10%的碳纳米管时,散热表面的最大温升相对于无碳纳米管的情形降低了8 ℃,散热器的等效总热阻则降低了14%,说明该方法是提高储能式散热器性能的有效途径．     

基于LBM研究骨架对相变材料融化蓄热的影响

相变储能材料的导热系数低已成为限制其应用的主要问题,在相变材料中添加高导热的固体骨架是解决这一问题行之有效的方法。文章采用三周期极小曲面方法生成固体骨架及描述糊状区的两区域模型,基于格子玻尔兹曼方法(LBM),从孔隙尺度分析了相变材料内填充高导热系数的固体骨架固液相变融化蓄热的变化规律。结果表明:生成的骨架能有效地预测复合相变材料的融化蓄热过程;相变材料的融化蓄热速率与其自然对流强度和有效导热系数有关,对于纯相变材料的融化过程,无量纲参数瑞利数越大自然对流越强,其融化速率越快;当骨架和相变材料导热系数比为10、50、100条件下,融化时间分别缩短了12%、28%、31%;多孔介质骨架孔隙率越低,复合相变材料的有效导热系数就越高,其融化蓄热速率也越高。     

Role of Composite Phase Change Material on the Thermal Performance of a Latent Heat Storage System: Experimental Investigation

复合相变材料对潜热储能系统中热性能作用的实验研究

Jasim Abdulateef¹, Ahmed F. Hasan^2*,Mustafa S. Mahdi²

（1. 迪亚拉大学 机械工程系,巴古拜 32001,伊拉克;2.迪亚拉大学 化学工程系,巴古拜 32001,伊拉克）

摘要：

石蜡是可用于潜热储能系统单元（LHSU）的理想的相变材料（PCM）。这种潜热储能单元的使用因相变材料导热性差而受到限制。本文采用铝和相变材料制成的金属泡沫生产复合相变材料,以此作为相变材料-潜热储能单元中的导热材料,并使用水作为传热流体（HTF）。通过实验,评估了使用纯相变材料和复合相变材料的潜热储能单元的传热特性。研究包括熔化和凝固过程中相变材料的时变可视化。此外,热存储室内放置一个热电偶网络,记录每个过程的温度分布。结果表明,复合相变材料-潜热储能单元在熔化和凝固过程中均表现出较好的性能。由于金属泡沫的作用,复合相变材料-潜热储能单元的熔化时间比简单的相变材料-潜热储能单元快83%左右,凝固时间减少85%左右。

关键词：相变材料;金属泡沫;潜热;复合相变材料

     

铝泡沫和石墨泡沫强化石蜡相变传热的数值模拟

针对有机相变材料石蜡导热系数低的问题,通过添加多孔介质的方法以强化石蜡相变传热,并运用CFD软件对石蜡相变传热系统进行二维数值模拟.模拟结果表明:铝泡沫和石墨泡沫都能有效提高相变材料传热速率,铝泡沫的强化传热效果明显高于石墨泡沫的传热效果.随着孔隙率减小,多孔介质/石蜡复合材料的有效导热系数增大,传热速率加快,凝固需要的时间缩短.并且,孔隙率越小,经过相同凝固时间,装置内对应点温度越低.