Numerical study on performance enhancement of latent heat storage unit

建立了考虑液态相变材料自然对流的壳管式相变蓄热单元的三维模型,数值分析了自然对流对相变蓄热过程的影响.对比研究了外侧强化传热管和双侧强化传热管对相变蓄热单元蓄热性能的强化效果.结果表明,液态相变材料的自然对流,会引起固-液界面分布不均匀现象,采用外翅片管可以有效削弱这一现象;采用外侧强化传热管和双侧强化传热管,都可以缩短相变材料完全熔化以及整个蓄热过程所需时间.与采用光管时相比,采用外侧强化传热管时,完全熔化时间减少了18.0%;采用双侧强化传热管时,完全熔化时间减少52.5%.可见,采用带有外翅片的强化传热管,不仅可以削弱自然对流引起的固-液界面不均匀性问题,而且可以强化相变蓄热单元的蓄热性能.     

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。     

地源热泵与螺旋管式相变蓄热耦合系统的实验研究

针对地源热泵供热节能及不同地区峰谷电价政策,设计并搭建与地源热泵耦合的螺旋管式相变蓄热实验台,并进行实验研究。通过监测蓄热装置工作参数及螺旋圈内、外,螺旋圈之间相变材料的温度场、蓄热过程发生相变的过程等,分析相变材料的蓄热特点和不同工况对蓄热过程的影响。结果表明,螺旋管周边相变材料发生相变的速度最快,且可成导热与自然对流的耦合作用,自然对流对相变过程的影响最大。因此蓄热装置中的螺旋管应尽量放置在下部,可提高相变材料蓄热效率,缩短蓄热的时间,节约能源。     

Numerical simulations on performance enhancement of a cross-flow latent thermal energy storage heat exchanger

基于列管式换热器具有传热面积大、结构紧凑、操作弹性大等优点,使其在相变储能领域具有广阔的应用前景。本文建立一种新型列管式相变蓄热器模型,在不考虑自然对流的情况下,利用Fluent软件对相变蓄热器进行二维储热过程的数值模拟。本文主要研究斯蒂芬数、雷诺数、列管排列方式、肋片数以及相变材料的导热系数对熔化过程的影响,并对熔化过程中固液分界面的移动规律进行了分析。模拟结果表明,内肋片强化换热效果明显,特别是对应用低导热系数相变材料[导热系数小于1 W/(m·K)]的列管式蓄热器,相对于无肋片结构,加入肋片（N_fn=2）可缩短熔化时间52.6%。     

列管式相变蓄热器性能强化的模拟

基于列管式换热器具有传热面积大、结构紧凑、操作弹性大等优点,使其在相变储能领域具有广阔的应用前景。本文建立一种新型列管式相变蓄热器模型,在不考虑自然对流的情况下,利用Fluent软件对相变蓄热器进行二维储热过程的数值模拟。本文主要研究斯蒂芬数、雷诺数、列管排列方式、肋片数以及相变材料的导热系数对熔化过程的影响,并对熔化过程中固液分界面的移动规律进行了分析。模拟结果表明,内肋片强化换热效果明显,特别是对应用低导热系数相变材料[导热系数小于1 W/(m·K)]的列管式蓄热器,相对于无肋片结构,加入肋片(Nfn=2)可缩短熔化时间52.6%。     

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.     

双翅片矩形相变储能单元蓄热性能实验研究

以双翅片矩形相变储能单元为研究对象,开展不同边界温度下（50℃、55℃、64℃、69℃、73℃）相变材料熔化过程的可视化实验,通过观察相变材料固液相变界面、温度和液相率变化分析储能单元内相变材料的熔化行为和传热规律,探究不同边界温度对储能单元蓄热性能的影响。研究表明：熔化后期储能单元内出现的熔化死角极大延长了蓄热时间,熔化死角用时比均大于30%;边界温度增加,固液相界面形状无明显变化,相变材料内温度分布及变化趋势相似,但固液相界面演化进程加快,自然对流加强,相变材料内温度分布不均匀性最大增加60%,相变温度最大增加2.9℃;边界温度从50℃提高至73℃时,完全熔化时间缩短510 min,且边界温度越低时(Fo)/(Ste)越大,表明在边界温度较低时,增加边界温度对相变材料的强化传热效果更明显。     

新型平底型相变蓄热器蓄热性能的数值模拟北大核心CSCD

为了解决相变材料低热导率所引起的换热效果差的问题,向相变材料中添加高导热的金属泡沫材料以加速固液相变过程、提升整体蓄热效率。然而,浮升力导致高温流体堆积在蓄热单元顶部,蓄热单元底部的相变材料较难熔化。为了改善底部难熔的现象,本工作在控制相变材料容积不变的前提下,以一定的比例切除蓄热单元底部,形成新型平底型相变蓄热器。通过数值模拟的方法,对蓄热单元熔化过程中的熔化率、蓄热量、熔化相界面、速度分布和温度分布进行分析。结果表明,新型平底型相变蓄热器能够有效减少底部难熔区域,从而提高蓄热器整体的蓄热效率。其中底部横切比为0.7时,完全熔化时间最短,比圆管缩短了18.12%。通过模拟结果的对比分析可以发现,去除底部相变材料减小了热源到蓄热器底部(难熔区)的距离,增强了熔化末期底部难熔区域的换热。在熔化末期,横切比为0.7的蓄热单元,在相界面处的流速比圆管的提高了2.10倍。说明底部横切强化了熔化末期蓄热单元底部的传热,减小了蓄热单元底部的低温区域,从而推动了整体的熔化进程。     

管壳式换热器蓄热单元数值模拟与优化

相变材料导热系数低,导致相变蓄热装置无法快速地进行热量储存和释放,文中建立了翅片管和光管式相变蓄热单元的三维计算模型,采用数值模拟方法,从蓄热速率、蓄热量以及温度场等方面比较分析了翅片管和光管结构对储热性能的影响。结果表明:在光管外壁添加翅片可以缩短相变材料完全熔化以及整个蓄/放热过程所需时间;与采用光管结构相比,采用翅片换热管时,完全熔化时间缩短32%,完全放热时间缩短14.5%。可见,在一定条件下添加翅片有助于提高蓄热体的蓄放热性能,所得结论对实际工程中相变蓄热系统的设计和优化具有一定的参考价值。     

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。     

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。     

偏心分形翅片管相变储热单元性能强化模拟北大核心CSCD

为了探索偏心分形翅片管对相变储热单元性能强化的作用机理,对偏心分形翅片管相变储热单元中石蜡的熔化展开了二维非稳态模拟研究。在考虑自然对流的情况下对比研究了偏心矩形翅片和偏心分形翅片两种储热单元的传热特性。并对偏心分形翅片结构进行了局部强化,选择矩形翅片、Y型翅片和分型翅片3种方案。结果表明,偏心分形翅片结构对自然对流的促进高于偏心矩形翅片结构且整体温度分布更均匀,这与分型翅片可以促进热量由点到面的扩散相符。在3种局部强化方案中,偏心分形翅片强化效果最佳,且整个过程的熔化速率都有提高,使熔化时间缩短了70%。这对管壳式相变蓄热器的性能提升提供了很好的理论指导,进一步扩展了其在储能领域的应用前景。     

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。     

翅片式相变储能器内赤藻糖醇蓄热性能研究

为了研究翅片对赤藻糖醇(C_4H_(10)O_4)蓄热过程传热特性的影响,选取赤藻糖醇作为相变材料,首先利用实验方法验证数值模型的准确性,其次采用焓-多孔介质的方法对相变储能单元进行仿真计算,主要研究了翅片,以及翅片长度、翅片数量和翅片厚度等几何参数对蓄热过程中传热特性的影响。研究结果表明:添加翅片后,在翅片区域形成不同尺寸的涡,改善了流场分布,增强了液态相变材料自然对流的效果,使储能装置总蓄热时间比无翅片缩短了43%;在翅片参数的设计中,增加翅片长度可以有效缩短总蓄热时间,随着翅片长度的增加,总蓄热时间变化率减小;随着翅片数量的增加,换热面积增大,熔化速率增大,总蓄热时间缩短;随着翅片厚度的增加,储能速率加快,总蓄热时间缩短,且翅片厚度越厚,总熔化时间的变化率越大。     

管壳式相变蓄热换热器的研究进展

本文针对不同管壳式结构对管壳式相变蓄热换热器蓄/放热性能的影响,分别从结构形式、布置方式、肋片设置和运行参数4方面进行了概述,总结了已有结构形式和肋片优化设置存在的问题。提出了未来重点研究方向：无量纲参数下的蓄/放热性能研究;不抑制相变材料自然对流的非均布肋片优化设置;充分利用相变材料自然对流和流体传热面的新型结构形式;能同时蓄热和高效供热的新设备研发。     

金属泡沫内石蜡固液相变蓄热/放热实验

针对解决太阳能热利用过程中所面临的辐射强度不稳定、不连续和不均匀等关键问题,相变蓄热技术常与太阳能热利用系统耦合协同匹配,以实现稳定连续的热量输出。为了强化固液相变蓄热/放热过程、提高系统热储能效率,对金属泡沫内石蜡类相变材料(PCMs)在不同蓄热流体温度下的固液相变蓄热/放热特性开展了实验研究。设计并搭建了相界面可视化的蓄热/放热实验系统,实验过程中使用高清相机对相变过程中的相界面变化进行了记录。同时,通过在蓄热单元内部布置多个热电偶测点,对蓄热/放热过程中的温度变化规律进行了探究。实验结果表明,受自然对流影响,熔化过程中相界面由上至下变化;而凝固过程中由于初始时蓄热单元下部温度较低且存在自然对流,此时相界面自下而上变化。蓄热流体温度越高,熔化所需时间越短,与蓄热流体温度为65℃的工况相比,蓄热流体温度为85℃、80℃、75℃、70℃工况的完全熔化时间分别减少了56.0%、46.7%、15.4%和26.7%。当采用不同温度的流体进行蓄热工况时,相变材料内部温度呈现出具有明显差别的温升规律。尽管如此,当采用相同温度的换热流体进行放热工况时,相变材料的放热温度仍趋于一致。     

内翅式套管相变蓄热器性能研究

相变蓄热能有效地解决太阳能利用过程中供需不匹配的问题。文章对内翅式太阳能套管式相变蓄热器的蓄热性能进行了研究,结果表明:供热流体入口速度越大,熔化过程所需要的时间越短;速度为2.5 m/s时,熔化过程需要225 min左右;与未加翅片的蓄热器相比,在相变材料侧增加环形翅片时蓄热时间缩短10%左右。     

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。     

冬季太阳能相变蓄热通风墙热工性能的数值模拟

在建筑通风墙体中加入相变材料被认为是改善其冬季热工性能的有效方法。相变材料在墙体中可采用分块的方法进行宏观封装，此时材料在熔化过程中产生的自然对流现象十分显著，不能被忽略。该文使用开源计算流体力学框架OpenFOAM下开发的求解器针对被动式相变蓄热通风墙体的热工性能开展了数值研究，以准确模拟相关传热、流动、相变等物理过程。计算结果表明：相变材料蓄热墙能有效降低室内温度波动；相变材料内部的自然对流作用很大程度上影响着材料的熔化与凝固速度，因此材料封装时的长宽比以及分块方式应做出审慎选择。     

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%。