金属翅片、骨架强化石蜡相变传热的数值模拟

在充满相变材料(石蜡)的矩形腔体内分别添加金属翅片、金属翅片和金属骨架,采用模拟方法研究纯石蜡方腔、含翅片方腔、含翅片(即金属翅片)-骨架(即金属骨架)方腔对腔体内石蜡相变传热的影响。3种方腔内的相变传热过程均为导热与自然对流传热共同作用。含翅片-骨架方腔中的石蜡熔化速率最快,且完全熔化时间最短。含翅片方腔中的石蜡熔化速率最慢,完全熔化时间最长。纯石蜡方腔中的石蜡熔化速率与完全熔化时间居中。相同加热时间,含翅片-骨架方腔的中心线温度分布最均匀,且高于其他两种方腔。含翅片-骨架方腔的中心线平均温度最先达到稳定,然后是纯石蜡方腔,最后是含翅片方腔。在3种方腔中,含翅片-骨架方腔有利于加速石蜡熔化速率,缩短熔化时间。含翅片方腔阻碍自然对流传热,不利于石蜡的相变传热。     

不同结构金属翅片对石蜡相变传热的影响

分别将两种金属翅片(翅片1,翅片2)加入纯相变材料(石蜡),制备复合相变材料1,复合相变材料2。容纳石蜡的方腔长×宽×高为20 mm×10 mm×20 mm,翅片1的长×宽×高为15 mm×10 mm×1 mm,翅片2是在翅片1的基础上增加6个直径为3 mm通孔,金属翅片设置在方腔内部,垂直于左壁面平行布置。石蜡的初始温度为298.15 K,相变开始之前石蜡为固态。方腔左壁面为加热面,温度恒定为338.15 K,其余各面为绝热面。采用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟方腔内石蜡的相变过程,分析加热过程中纯相变材料,复合相变材料的液相率分布,液相率随时间变化,速度场分布。纯相变材料内,在导热和对流换热的共同作用下,石蜡从左上角开始熔化直至右下角石蜡完全熔化。方腔内金属翅片的加入可改善熔化过程的均匀性,缩短了熔化时间。纯相变材料,复合相变材料1,复合相变材料2石蜡完全熔化时间分别为302,106,90 s,复合相变材料1,2比纯相变材料完全熔化时间缩短了约64%,70%,复合相变材料2比复合相变材料1完全熔化时间缩短了约15%。在石蜡熔化初期,主要以导热为主,复合相变材料1的液相率高于复合相变材料2,随着石蜡的熔化,自然对流作用逐渐显现,复合相变材料2的液相率逐渐高于复合相变材料1。纯相变材料熔化过程中,石蜡的流动主要集中在加热壁面和相变界面处,角化现象明显;复合相变材料1内,石蜡的流动靠近翅片的顶端以及上,下壁面靠近加热壁面处,呈局部流动;复合相变材料2内呈现环状流动趋势,比复合相变材料1内石蜡流动现象更加明显,自然对流换热效果更强。     

金属骨架结构对相变材料熔化过程的模拟研究

将金属骨架加入到纯相变材料(石蜡)制备复合相变材料,以纯相变材料、复合相变材料为研究对象,建立数学模型。采用有限元软件模拟相变材料的熔化过程。结果表明：均匀、x、y、z-复合相变材料完全熔化时间分别为460 s、660 s、460 s、470 s,减小x方向圆柱骨架半径可使完全熔化时间增加43%,减小y方向的圆柱骨架半径对完全熔化时间无影响,减小z方向圆柱骨架半径可使完全熔化时间增加2%。在相同时间内,复合相变材料的液相率明显高于纯相变材料,纯相变材料、均匀、xy-复合相变材料完全熔化时间分别为1 245 s、460 s、355 s,均匀、xy-复合相变材料的完全熔化时间分别比纯相变材料缩短了63.1%、71.5%。研究表明,金属骨架的加入可明显改善换热状况,xy-复合相变材料在强化换热方面优于均匀-复合相变材料。     

体积占比不同的组合式石蜡相变传热数值模拟

石蜡组合式腔体的长、宽、高均为30 mm,内部用两个长30 mm、宽1.5 mm、高30 mm的铜板分割成3个腔体层,每个腔体层填充不同相变温度的石蜡.组合式腔体左壁面为加热面,其余壁面均绝热.在组合式腔体长、宽、高均不变的情况下,通过改变各腔体层的宽度来改变石蜡的体积占比,共设置7种排布方式.排布方式1:各腔体层均填...     

金属骨架断面对石蜡相变传热影响的模拟分析

以填充金属骨架的矩形石蜡方腔作为研究对象,分别选取完整方腔、单纵向断面(纵向断面与高温壁面平行)方腔、3纵向断面方腔、单横向断面(横向断面与高温壁面垂直)方腔,模拟分析金属骨架断面对石蜡熔化速率、金属骨架导热强化效果的影响。固态石蜡完全熔化时间由短到长的排序为：完整方腔、单横向断面方腔、单纵向断面方腔、3纵向断面方腔,完整方腔与单横向断面方腔的固态石蜡完全熔化时间接近。当腔体高温壁面与金属骨架断面平行时,断面对方腔内固态石蜡完全熔化时间影响极大：较大的断面宽度使熔化速率在固态石蜡熔化过程中出现明显下降;断面数量越多,固态石蜡完全熔化时间越长。当腔体高温壁面与金属骨架断面垂直时,断面对方腔内固态石蜡完全熔化时间几乎没有影响。当腔体高温壁面与金属骨架断面平行时,断面削弱金属骨架的导热强化作用。当腔体高温壁面与金属骨架断面垂直时,断面对金属骨架的导热强化作用基本没有影响。     

梯度骨架对相变材料传热特性影响模拟研究

对7种梯度(指沿指定方向多孔介质骨架体积占比的变化率)复合相变材料(添加多孔介质骨架的相变材料,长×高×宽为7.0 cm ×7.0 cm ×1.4 cm)的融化速率、蓄热速率、内部温度均匀性进行模拟研究。多孔介质骨架体积占比由孔隙率表征,孔隙率越大说明占比越小。沿对角线方向孔隙率变大的复合相变材料融化速率最快。高温壁面侧骨架体积占比越大,越有利于加快蓄热速率。沿对角线方向孔隙率变大的复合相变材料内部温度均匀性最佳。沿对角线方向孔隙率变大的复合相变材料综合性能最优。     

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...     

不同梯度尼龙骨架对相变材料传热过程的影响

在纯相变材料中分别加入7种不同梯度的尼龙骨架,建立7种复合相变材料(XZ正梯度、XZ负梯度、均匀无梯度、X正梯度、Z正梯度、ZX正梯度、ZX负梯度)的三维模型,通过数值模拟方法研究不同梯度尼龙骨架对相变材料传热过程的影响。采用有限元法模拟矩形腔内石蜡的相变过程,分析加热过程中复合相变材料的液相率分布、温度变化、内部温度均匀性。结果表明：含尼龙骨架的矩形腔与纯相变材料相比,尼龙骨架起到阻碍自然对流的作用,隔热效果更好;沿次对角线方向孔隙率依次增大的尼龙骨架更有利于增强相变夹层的隔热效果;沿次对角线方向孔隙率依次增大的尼龙骨架升温最慢且内部均匀性最差,适合作为墙体内相变夹层中的梯度骨架结构。     

含穿孔翅片腔体中石蜡相变传热特性研究

由于相变材料传热性能差,添加翅片可以改善其传热性能。本文采用数值模拟方法研究了在石蜡中添加交叉翅片骨架的复合相变材料的热性能,分析了复合相变材料的温度变化、熔化过程和骨架在不同方向穿孔及大小对复合相变材料热行为的影响。结果表明,横小纵大穿孔骨架对复合相变材料热性能提升显著,在节约材料的同时,增加了方腔蓄热量,与纯石蜡相比,复合相变材料的熔化时间缩短了56%。交叉穿孔翅片方腔中表现为大环流伴随小环流的流动特征,铝骨架与石蜡温度特征点处会出现沉积现象,造成温度波动。     

相变墙体的热性能及传热数值模拟研究进展

本文介绍了测量和提高相变材料热物性的常用方法,简述了相变材料层不同位置以及室外气候条件对相变墙体热工性能影响的研究现状,分析了复合相变材料对墙体热工性能影响和经济性研究,对相变墙体传热数值模拟方法和常用数值模拟软件的研究进行综述,总结了相变墙体研究中所存在的问题。     

微胶囊相变悬浮液传热特性的实验研究

介绍了微胶囊相变悬浮液的研究进展。建立了微胶囊相变悬浮液层流传热特性的实验系统,对其在定热流密度加热条件下的管内层流强迫对流传热特性进行了测试和分析。影响传热强化的主要因素为雷诺数及微胶囊的体积分数,斯蒂芬数的影响很小,可以忽略不计。微胶囊相变悬浮液的管内层流强迫对流传热的修正努塞尔数是水的2.5~3.0倍,修正努塞尔数随着雷诺数及微胶囊体积分数的增加而增大。     

含翅片矩形腔体内相变材料传热特性研究

相变材料低导热特性影响相变传热进程,添加金属翅片可有效提高相变材料传热速率.本文通过使用有限元软件模拟相变材料的熔化过程.通过改变翅片高度、翅片厚度、翅片个数、加热壁面的温度以及将铝片换为导热性能更好的铜片来研究相变材料熔化过程.研究结果表明:增加翅片高度、翅片个数和提高热源壁面温度对强化换热效果具有显著的作用,增加翅...     

相变墙房间传热模型数学简化与求解探索

相变材料是一种高效的贮能物质,相变技术也是当前研究的热点。总结了相变材料的传热机理,以及相变材料的制备和热物理性能,并对相变墙房间模型的建立和求解的一般研究方法进行了汇总,最后针对目前的研究现状提出了急需解决和进行研究的问题。     

用于相变墙体中的石蜡和多元醇相变材料的研究

利用差示扫描量热仪实验研究了几种不同石蜡以及它们的混合物和多元醇二元体系的储热性能。根据其相变温度和相变潜热，选择适于墙体中使用的相变材料种类和组成。分析石蜡和多元醇类固一固相变材料应用于建筑物墙体中的可行性。研究显示：石蜡的相变温度可根据组成进行调节，相变潜热大，无过冷现象，稳定性好。多元醇二元体系新戊二醇（Nm）／季戊四醇（PE）和三羟甲基氨基甲烷（TAM）／NPG的转变温度和转变热均低于单一某种多元醇材料的转变温度和转变热。二元体系的转变温度在30-41℃之间，当NPG含量在50％-90％之间时，二元体系转变热较大，可用做墙体储能材料。研究结果可为相变材料在建筑节能领域的应用提供参考和依据。     

周期性热作用下相变材料内部相变传热特征实验研究

为了揭示周期性热作用下相变材料内部相变传热特征,为建筑外表相变隔热设计和计算提供支撑,本文设计制作了能模拟太阳运行、提供周期性加热的装置,并将正18烷封装于塑料圆桶容器中,使容器底部和侧面绝热,制作了测试试件.利用热电偶和巡检仪自动记录了周期性热作用下相变材料内部各层温度的变化.测试结果表明,在稳定周期性热作用下,材料内部相变传热特征主要可表述为:1)材料在非稳态周期性相变传热阶段,各层温度在达到相变温度点之前,温度变化明显;相界面会随着周期性加热次数的增加间断性地向内部扩展;温度平均值和振幅值向稳态周期性相变传热时的平均值和振幅值靠近.2)材料在稳态周期性相变传热阶段,内部各点温度也表现出与外界热作用等周期性变化,温度振幅从外到内依次减小.这与发生在固体中的周期性传热特性类似.但材料内温度变化呈现折转现象,在温度明显升高前出现等温滞后,在温度降低时会出现等温冷却.这与发生在固体中的传热现象有很大的区别.3)材料在稳定周期性热作用下,内部不会出现多个相界面共存现象.4)空气流速对相变材料中温度振幅和相界面移动速率都有较大影响,提高空气流速可以降低温度振幅和减慢相变进程.这意味着当相变材料用于建筑外表进行相变隔热时,可以通过组织自然通风减少其用量.     

用于回收空调冷凝热的复合相变蓄热器

本文主要介绍一种复合相变蓄热器的工作原理和结构形式,提出了应用中所存在的问题。利用相变材料放出潜热提高供水温度,在不需用热水时,压缩机不必停机从而加热融化相变材料以储存热量。采用相变材料回收空调冷凝热,既具有节能又具有环保的特点。     

三水醋酸钠基复合相变材料导热能力强化研究

在三水醋酸钠基复合相变材料中添加导热强化剂铜粉、碳粉和膨胀石墨,研究导热强化剂对复合相变材料导热性能的影响.利用示差扫描量热仪测量膨胀石墨添加前后复合相变材料的热特性.结果表明：膨胀石墨能与三水醋酸钠基复合相变材料很好共融,并对复合相变材料的导热有显著的强化效果.膨胀石墨掺量为10%(体积分数)时,三水醋酸钠基复合相变材料相变焓为307.762kJ/kg,与未添加膨胀石墨复合相变材料相变焓相比减少不到2%,而导热系数却提高了2倍.