相变材料与热边界相对位置对环形单元熔化传热影响规律的数值分析

在保证相变材料质量与加热面尺寸一定的条件下,分别设计外环加热与内环加热2种环形相变单元,采用焓-多孔介质模型对相变传热过程进行模拟,并通过实验验证该文数值计算方法的正确性.在此基础上,针对22种单元进行65、75、85℃这3种定壁温边界下的数值模拟,对其熔化速率和典型位置温度进行对比分析.研究结果表明:在3种温度边界条...     

圆柱形壳管式相变蓄热单元的蓄热特性研究

首先提出适合该系统的圆柱形壳管式相变材料(Phase Change Material, PCM)蓄热单元的结构形式;然后基于焓法建立了蓄热单元的数学模型,并利用文献结果对其进行了验证;以CaCl2·6H2O为相变材料,研究了蓄热单元的蓄热特性以及换热流体温度的变化规律,结果表明流体温度与流速都是影响其蓄热特性的重要因素,为季节性相变蓄能装置开发奠定了理论基础.     

方形蓄热单元内铝铜合金熔化和凝固特性数值模拟

对中心带有恒温换热圆管的方形蓄热单元内铝铜合金的熔化和凝固过程进行数值模拟,研究相变材料(PCM)的熔化和凝固特性以及蓄热单元宽高比对PCM熔化和凝固特性的影响,并探讨蓄热面积系数对蓄热单元最佳宽高比的影响。结果显示,对于中心换热管直径为20mm、横截面积为6400mm~2的方形蓄热单元,PCM的熔化和凝固时间均随宽高比的增加呈现先缩短后增长的变化趋势,且当宽高比为1.56时,PCM的熔化时间最短,定义其为该潜热蓄热量条件下蓄热单元的最佳熔化宽高比;当宽高比为1.00时,PCM的凝固时间最短,定义其为方形蓄热单元的最佳凝固宽高比。此外,当蓄热面积系数增加时,蓄热单元的最佳熔化宽高比出现增大趋势,而最佳凝固宽高比保持不变。方形蓄热单元的宽高比应结合实际应用条件进行合理选择。     

偏心率对石蜡相变熔化过程影响的数值分析

数值模拟研究了内管和外管之间的圆心距离(偏心率)对石蜡在水平相变蓄热单元中熔化过程的影响。利用焓-多孔模型得到内管加热温度为60、65、70℃和偏心率为0.20、0.40、0.60、0.80、0.93工况下蓄热单元内的速度场,温度分布,液相率分布和综合传热系数。模拟研究结果表明：加热温度为65℃,偏心率为0.20、0.40、0.60、0.80、0.93时总熔化时间分别减少了31.6%、57.4%、76.4%、86.7%、86.7%,偏心率大于0.80,增大偏心率对减少熔化时间没有明显效果;加热温度为60℃,偏心率从0.80增加至0.93,Fo增加了7.5%,总熔化时间增加,熔化过程中综合传热系数总体上逐渐减小,偏心率为0.60和0.80时,综合传热系数先增大后减小,熔化过程中,综合传热系数最大为329.72 J/(m²·K)。     

泡沫铜强化石蜡相变蓄热特性的数值分析

通过构建泡沫金属内固液相变传热模型,对方腔蓄热单元中泡沫铜强化石蜡相变蓄热特性进行数值分析。数值模型采用考虑泡沫金属真实结构的等效导热系数通用模型,并兼顾石蜡在融化前后与金属骨架之间的热非平衡效应。通过求解模型得到方腔内石蜡固液界面演化规律与温度分布,进而对蓄热过程进行火用分析。结果表明:当前数值模型能较好地预测泡沫铜内固液相变传热;泡沫铜显著改善了石蜡相变的空间均匀性,减小了蓄热区温度梯度,使蓄热速率和火用效率得到有效提高。     

圆柱形相变蓄热单元性能的理论与数值研究

对以石蜡为相变材料的圆柱形蓄热单元进行三维计算流体力学仿真并进行验证,研究蓄热单元的高度和内外半径尺寸对蓄热时间影响变化规律的同时提出理论计算方法,结果表明计算结果与模拟吻合较好,计算误差随蓄热时间增加而增大,当蓄热时间在104s以内时误差小于6%,可满足工程需要,为相变蓄热器的设计与开发奠定理论基础。     

水平及竖直放置套管式相变蓄热单元传热特性的数值模拟

以赤藻糖醇为相变材料,采用Fluent软件对同心套管式相变蓄热单元的熔化和凝固过程进行了三维非稳态数值研究。在考虑自然对流的前提下,对比了水平入射式、顶部入射式及底部入射式相变蓄热单元的传热特性,得到了固液界面分布图和温度云图随时间的变化特性,对比了各自的蓄放热速率。研究表明:自然对流在熔化过程中起主要作用,而在凝固过程中起的作用很小;蓄热速率从大到小排列,依次是水平入射式、顶部入射式和底部入射式,相比于底部入射式,水平入射式的总熔化时间可减少27.2%,而顶部入射式的总熔化时间仅减少3.7%;放热速率从大到小排列,依次是顶部入射式、水平入射式和底部入射式,相比于底部入射式,顶部入射式的总凝固时间可减少9.2%,而水平入射式的总凝固时间仅减少0.6%;水平入射式蓄热单元是满足蓄放热速率快这一要求的首选型式。     

三维套管式加肋相变蓄热单元的传热特性分析

采用数值模拟方法研究了不同模型的相变蓄热单元蓄/放热过程以及入口流体温度对蓄热过程的影响。结果表明：沿轴向方向,不同截面的蓄/放热时间相差很大,轴向方向的自然对流对蓄/放热的影响较小;添加分形肋片提高蓄/放热速率的效果最好;在蓄热过程中,模型4和模型5的蓄热时间相比于模型1均缩短了45.4%;在放热过程中,模型2～模型5相比于模型1的放热时间分别缩短了12.3%、13.7%、27.4%和34.2%;提高入口流体温度可以显著缩短蓄热时间,但蓄热速率的增幅逐渐减小,当入口流体温度高于358.15 K时,入口流体温度对融化时间的影响明显减小。     

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。     

新型板式相变单元蓄热特性的理论及实验研究

在太阳能储能装置中,保持相变储能单元组配灵活性不受影响的同时,为了增强板式相变单元的蓄热性能,对普通的矩形板式单元进行结构优化,设计了新型的梯形体单元,并利用理论分析得到了最优梯形体结构的理论解。将理论分析结果进行实验验证,研究表明：设计出的新型梯形体板式单元不仅能充分利用相变材料本身的熔化特性提升储能装置的蓄热性能,还能提高空间利用率。在研究范围内,换热流体流速的增大和温度的增加可有效地提高单元的换热效率,其中,流速为0.12 m/s时最优梯形体单元比之矩形单元的蓄热性能提升最明显。     

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。     

不同相变蓄能器对多联机空气源热泵蓄热特性影响

以多联机空气源热泵相变蓄能除霜系统为研究对象,采用实验研究的方法对采用翅片管型和螺旋盘管型相变蓄能器的多联机空气源热泵除霜系统的蓄能过程进行实验分析。研究结果显示:室内机全负荷状态下,相变蓄能器在供热过程中蓄热,螺旋盘管型蓄能器与翅片型蓄能器完成蓄热分别需要6.00和33.00 min。从整个供热周期来看,翅片型蓄能器对供热过程的影响更小,蓄热过程会引起室内平均进出风温差降低4℃、平均供热量降低6 kW,系统结霜时间缩短8 min。     

相变蓄热式集热器蓄放热数值与实验分析

对一种相变蓄热式太阳集热器的蓄放热过程进行CFD软件数值模拟和实验测试。该集热器由全玻璃真空集热管、相变蓄热单元和U型换热器组成。选用相变温度在330~400 K的3种适合于太阳集热器的复合相变材料石蜡、Ba(OH)_2·8H_2O和赤藻糖醇,在蓄热式集热器中进行蓄放热性能测试。研究表明,填充Ba(OH)_2·8H_2O的蓄热式集热器在总蓄热量、材料内部温度均匀性等蓄放热方面性能优越。实验结果对蓄热式集热器的设计具有参考价值。     

矩形腔相变蓄热装置蓄热性能的数值模拟及优化

为了提高矩形腔蓄热装置的蓄热性能,文章在矩形腔蓄热装置内构造了不同数量的空腔,并通过数值模拟分析了不同数量、长度和倾角的空腔对矩形腔蓄热装置蓄热性能的影响。研究发现:当矩形腔蓄热装置内有2个空腔时,其蓄热速率比无空腔的常规矩形腔蓄热装置提高27.3%;当矩形腔蓄热装置的空腔长度为35mm时,其蓄热时间比无空腔的常规矩形腔蓄热装置缩短45%;水平空腔(空腔的倾角为0°)有利于矩形腔蓄热装置蓄热速率的提升,斜空腔并不会提升矩形腔蓄热装置的蓄热速率。     

泡沫铜对相变蓄热系统蓄热性能影响的实验研究

石蜡作为一种有机固液相变材料,因其具有高潜热值、无毒、无腐蚀、性能稳定等优点被广泛应用于热蓄存、电子冷却及建筑温控等领域。但在蓄热过程中,因石蜡导热系数较低,导致蓄热时间过长、温差过大。实验按照1∶3的比例将泡沫金属铜均匀分布在石蜡箱体中,探究泡沫铜对石蜡相变速率的影响。结果显示:加入泡沫铜后,有效地提升了石蜡的相变速率,缩短了石蜡相变的时间;同时加入泡沫铜后,石蜡内部温差明显减小,温度分布更加均匀,并且有效缓解了自然对流造成的顶部过热和底部不熔化现象。     

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...     

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。     

组合式高温相变蓄热器蓄热过程的数值模拟

通过对相同管径蓄热管组成的高温相变蓄热器蓄热过程进行模拟,得到了蓄热过程中相变材料(PCM)温度和液相率随时间的变化曲线以及不同时刻液相率的分布云图。针对温度曲线和云图所显示的问题,在保证蓄热量的前提下,提出了蓄热管组合式排布的设计方案,并对其蓄热性能进行了模拟。研究结果表明,采用所提出的组合式方案有效地减少了蓄热时间,降低了"死区"对蓄热器蓄热性能的影响,使PCM的液相率分布更加均匀,可为用于太阳能热发电的高温相变蓄热器的优化设计提供理论依据。     

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。