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%。     

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%。     

椭圆管强化固液相变蓄热器的数值模拟

由于蓄热材料融化后受自然对流的影响,为了改善固液相变蓄热器上下融化不均的情况,采用椭圆管强化蓄热器中的传热,利用Fluent软件模拟了相同面积的圆管和椭圆管这2种结构中石蜡相变的融化过程,得到了石蜡融化过程温度场分布及融化过程中液相分数线的规律,根据这些规律分析了椭圆管对增强蓄能效果的影响,并且分析了不同椭圆管长短半轴比对加快石蜡蓄热时间的影响。     

碳酸锂钠共晶盐复合相变材料的储放热特性CSCD

对以碳酸锂钠共晶盐为相变材料,氧化镁颗粒为陶瓷基体和石墨为导热增强剂的复合相变材料模块储放热性能进行实验研究,并与纯相变材料进行了对比。结果表明,对于储热过程,添加有导热增强剂的复合材料模块储热性能明显高于纯相变材料,且其储热性能随着导热增强剂含量的增加而提高。当石墨质量含量从5%提高到30%时,材料模块整体的储热时间缩短29%。对于放热过程,实验考察了两种放热条件—自然对流和强制对流。结果表明,强制对流条件下材料模块的放热性能要优于自然对流条件下的放热性能。对比纯相变材料,复合材料模块的整体放热速率提高了近33%。     

Numerical investigation of the thermal mechanism of the solid-liquid phase changing process

由于相变换热储能技术可以协调能量在时间和空间尺度的分配,成为了目前研究的热点问题。本工作用焓值法分别对充填低温无机盐相变材料的二维和三维管壳式相变储能换热器模型的储/放热特性进行了模拟研究,采用Boussinesq近似研究了液相区密度变化引起的自然对流的影响。研究表明换热器的入口温度对相变换热效率影响显著;在储热过程中自然对流发挥了重要作用,换热效率与液相区的运动状态直接相关,而放热过程中的热交换主要依靠热传导完成;三维模拟的结果表明换热管出口温度与管壁的平均努赛尔数高度相关,且换热管水平放置的换热效率略低于竖直放置。     

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。     

A numerical investigation into the charge behaviour of a spherical phase change material particle for high temperature thermal energy storage in packed beds

基于高温相变材料,对填充床储热系统中储热单元球体的储热性能进行了模拟研究.研究了不同传热流体温度和球体直径对球体储热性能的影响规律,对导热为主的相变储热过程与导热和自然对流共同作用的相变储热过程进行了比较分析,同时还探讨了高温辐射换热的影响.结果表明,相变时间随球体直径的增大而增大,随传热流体温度的增大而减小.当考虑相变区域自然对流时,总的相变时间显著减少,和单纯导热相比,完全相变时间缩短了近16%.在导热和自然对流的基础上加上辐射传热后可以看出,辐射换热强化了球体内的传热过程,加快了相变材料的熔化速度,强化了自然对流的作用.     

偏心管翅式相变储热单元性能强化的模拟

对管翅式相变储热单元进行了二维非稳态模拟研究。在考虑自然对流与外管传热的情况下对比研究了同心管翅、偏心管翅以及翅片接触外管三种储热单元的传热特性。考虑了内管壁温度、外管材料、翅片厚度对储热性能的影响。结果表明,与采用同心管翅时相比,由于自然对流的影响,偏心管翅储热单元有效削弱了固-液界面分布不均匀现象,完全融化时间减少了29.3%,而当翅片接触金属外管时,通过翅片的传热外管温度迅速升高,增大了换热面积,完全融化时间减少了近49.3%。可见,翅片接触外管储热单元不仅削弱了自然对流引起固-液界面分布不均匀现象,而且利用了外管的传热,强化了储热换热性能。     

基于梯度孔隙率金属泡沫的复合相变单元储热性能数值模拟北大核心CSCD

向相变材料中添加金属泡沫可以解决相变材料低导热率引起的换热效果较差等问题,提高系统的整体蓄热效率。然而,复合相变材料的传热性能受金属泡沫孔隙率分布的影响较显著,为进一步提高相变储能单元的传热性能,本工作基于低孔隙率金属泡沫-相变材料(PCM)复合储能系统,建立了一种新的梯度孔隙率金属泡沫结构,通过数值模拟方法,对蓄热单元熔化过程中的熔化率、储能速率、储能总量进行分析,系统研究了孔隙率沿加热方向负梯度分布、正梯度分布对复合相变材料熔化速度和储热性能的影响。研究结果表明,负梯度孔隙率结构可以进一步提高储能系统的储热效率,其中,孔隙率梯度为0.12(案例S-6)时增强效果最显著。在熔化周期的不同阶段,负梯度孔隙率对复合材料的传热均有不同程度增强,对于S-6,在1000 s、2000 s、2600 s时,熔化率相较于均匀孔隙率结构分别增加了0.67%、2.31%、9.90%;随着孔隙率梯度的增加,相变材料的热性能提高越显著,与均匀孔隙结构相比,改进的负梯度孔隙率结构其完全熔化时间最高可缩短7.32%,储热速率可提高8.02%。对于正梯度孔隙率结构,其对熔化速度没有显著影响,但是储热总量可提高0.49%。     

肋片强化传热储能单元相变过程数值模拟

本文对阵列式肋片强化传热的石蜡类相变储能单元进行数值模拟,相变材料储存于阵列式肋片之间,热量通过铝材基座和肋片传递给相变材料。采用十八烷作为数值模拟的相变材料,其熔点是28℃,密度和动力粘度随温度变化,通过改变肋片尺寸以及边界条件研究相变材料的融化过程,通过分析温度场,流场,固-液两相分布探究相变规律,用无量纲参数分析肋片尺寸以及不同边界条件对相变过程的影响。结果表明,受自然对流的影响,随着时间推移,肋片处热流密度先增加后减少,基座处热流密度大幅度升高;相变材料融化后,对流换热是主要的传热方式;对于相变层偏薄的相变储能单元,宜采用小尺寸肋片,相变层偏厚的相变储能单元,宜采用大尺寸肋片。     

壳管式相变蓄热器传热效率研究

设计了一套定量测试不同工况下壳管式相变蓄热器传热效率装置。采用壳管式相变储热,石蜡填充入壳管间,管内通入冷、热载流体,模拟吸热放热过程。测试发现:相同入口条件下,单位时间传热量随入口水温增加呈线性增加;管内载流体流量加大有助于提高传热水平,15~60 L/h流量内单位时间传热量增速随流量增加放缓;不同材质传热管单位时间传热量变化并不明显,表明管道热阻在相变蓄热器总热阻中所占份额较小;相同工况下的蓄热过程,热载流体由下向上流动传热形式明显优于由上向下管排形式;尝试在封装相变材料中添加金属网状结构,强化相变材料内部热传导速率,对比发现相同工况下相变材料中添加金属网状结构,可提高10%~15%左右传热量。     

Simulation modeling and analysis of a high temperature phase change heat storage and exchange device

相变储热因单位体积储热量大,储热和放热过程温度基本恒定等优点而成为目前研究的热点。相变过程中涉及固液两相间融化和凝固的传热问题,其储放热过程是一个复杂的非稳态相变过程。本文对高温相变储热换热装置进行换热特性研究,通过研究储热单元的换热特性,基于FLUENT软件,结合装置的设计参数和相变复合材料的物性参数,对相变储热系统储/放热过程中内部的温度分布、传热速率和储放热效率进行了数学建模及模拟分析,重点研究了不同传热流体速度对单元储/放热性能的影响规律。根据仿真结果,在相变储热装置的设计中,可选择合适的空气流速,以实现不同的散热功率及储放热时间,满足不同用户的用热需求。物理实验表明仿真结果偏差较小,可为高温相变储换热装置设计、优化等工作提供依据。     

管壳式太阳能相变储热器传热特性的数值研究

通过焓-孔隙法建立数值模型,研究石蜡RT50在管壳式太阳能储热器的传热特性,并分析储热器安装形式、不同管径和管外肋片结构对相变储热过程的影响规律。结果表明,立式储热器在管径较大时（相变材料区域厚度较薄时）熔化速度比卧式储热器快;而在管径较小时（相变材料区域较厚时）熔化速度比卧式储热器慢。卧式储热器相变材料熔化过程的初始时间段和末尾时间段热传导占主导地位,而中间时间段自然对流换热占主导地位,且熔化速度主要由自然对流换热决定。此外,管外侧安装肋片能够显著提高传热系数,缩短熔化时间。相较于无肋片管道,卧式储热器采用环肋管道可缩短熔化时长31.6%;采用直肋管道可缩短熔化时长42.1%。直肋比环肋具有更好的传热效果,主要原因为直肋能够强化熔化过程中的自然对流。     

具有自由表面的固_液相变的数值模拟与实验研究

通过对相变现象的分析,建立了VOF(Volume-of-Fluid)模型与焓?多孔介质模型的耦合计算模型,利用该模型模拟出石蜡相变过程中的相互关联的多种物理现象,其中包括固体石蜡中的导热、液体石蜡中的导热与自然对流、相界面移动以及相变材料在相变过程中的体积变化等。计算结果表明,石蜡内部的自然对流在石蜡的融化过程中起到非常重要的作用。在自然对流的旺盛期,石蜡的最大融化速率为每秒0.002 005%;同时,融化过程对自然对流也有影响,液体石蜡中的流速在融化150 s左右达到最大值(6.08×10-3m/s)。石蜡在整个融化过程中体积膨胀了近10%。利用石蜡相变过程的可视化实验来验证数值模拟的准确性,结果表明,该数学模型可以较真实地、较完整地反映出石蜡相变过程中的各方面特征。     

一种余热利用相变石蜡储热过程的数值模拟

基于一种相变储热石蜡,考虑熔化过程中液相的自然对流情况,建立了矩形腔内石蜡熔化过程的数学模型,并利用该模型进行了数值模拟,分析了石蜡熔化过程中的温度场变化、流场变化、相界面移动情况。通过采用铝制翅片的方式强化传热,并分析了翅片位置对该石蜡熔化时间的影响。模拟结果表明,在y=0.1、y=5、y=10、y=15mm时,与不采用翅片相比,储热时间分别缩短了43.1%、52.0%、38.3%、22.2%。研究结果对相变储热器的优化设计有一定意义。     

泡沫铁/石蜡复合相变储能材料放热过程及其热量传递规律CSCD

石蜡作为相变储能材料具有储能密度大的优势,但其导热率较低。以石蜡作为相变储能材料、金属泡沫铁作为导热增强材料,通过对泡沫铁/石蜡复合相变储能材料的制备及其放热过程测试,探究了两种厚度金属泡沫铁对石蜡放热过程的强化作用和传热过程。结果表明,泡沫铁能缩短石蜡放热时间,提高放热效率。相比对照组,厚10 mm和15 mm的泡沫铁/石蜡复合相变储能材料相变时间分别缩短了1/3和1/4,相变放热密度分别减小了1.60%和3.26%,两者的相变放热速率是相应对照组的1.44和1.27倍。同时,还对15 mm泡沫铁/石蜡复合相变储能材料放热过程中,对流换热系数与相变时间和材料温度的关系分别进行了模拟,得到相应的理论公式,该公式所求得的模拟值与实际值较接近,可用于预测不同放热时间或材料温度下复合相变储能材料的换热能力。     

螺旋盘管式相变储热单元储热性能

以石蜡作为相变材料,制作了内通流体螺旋盘管结构的相变储热单元。在对储热单元储热过程进行传热分析的基础上,利用实验手段对储热单元在不同工况下的储热性能进行了研究。通过对其储热过程中相变材料相变过程的分析,提出储热器设计的优化方案。利用实验数据得到其准则关联式,为其在工程中的应用提供了依据。     

基于相变材料的储热器及其传热强化研究进展北大核心CSCD

相变储热是具有广阔应用前景的储能技术之一,具有储热密度大、相变温度稳定等优点,但相变材料的热导率低制约了相变储热技术的发展。提升相变材料的热导率和储热器件的传热速率是有效的解决途径。针对相变材料热导率强化研究进展有大量综述,而对于储热器件层面的传热强化的总结较少,本文回顾了近10年国内外在储热器及其传热强化研究方面的进展。为适应不同应用需求,不同类型的相变储热器应运而生,根据储热器的工作模式和结构可以分为管壳式、填充床式、板式、热管式4类,本文系统地介绍了4类储热器的工作原理、优缺点以及强化传热研究,主要比较了结构优化后的储热器与传统储热器的传热速率和储/放热性能,结果指出对储热器的内部结构进行改进及拓展外部结构等方法能有效增加储热容量和储/放热速率,对于提高系统相变储热能力具有积极作用,分析表明后续的研究应该明晰储热器内部多相耦合传热机制,增强储热器对动态工况适应能力,拓宽应用范围。     

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。     

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。