相变储能墙体材料传热理论与应用研究综述

分析了相变材料的特点和相变墙体传热理论研究与应用现状,指出了相变墙体材料的研制方向.综述了相变传热的特点和求解方法.指出应通过建立传热理论模型,对不同构造相变墙体在我国不同气候地区的应用进行系统、深入的研究.     

含纳米颗粒石蜡物性参数对玻璃窗蓄热的影响研究

运用FLUENT模拟软件,建立了相变玻璃窗的动态传热数理模型,采用控制变量法,在不同相变温度、相变潜热、导热系数物性参数条件下,研究了夏冬两季双层玻璃相变窗内壁面热流随时间的变化情况,得到了相变材料物性参数对双层玻璃相变窗蓄热的影响。研究结果表明,相变材料的相变潜热和相变温度的升高在夏季可以明显增强隔热效果,改善玻璃窗的蓄热能力,在冬季影响较小;导热系数变化在冬夏两季均对传热性能影响较小。     

螺旋管式相变蓄冰装置的结构优化

对冰蓄冷系统中,螺旋管式蓄冰装置相变蓄冰过程进行研究。采用第三类边界条件建立传热方程式,可以较好地描述相变传热过程。建立可靠的模拟模型,对螺旋管相变蓄冰过程进行数值模拟,模拟结果表明,螺旋管中心容易产生相变死区,蓄冷材料利用率不高;采用螺旋管中间加装直管段的方式进行优化,模拟结果表明,同等蓄冰条件,溶液出口温度同比提高1.5℃;相变蓄冷4 h,结冰质量由9.07 kg同比提高到10.45 kg,相变死区问题得到解决,蓄冷材料利用率提高。综合表明采用加装直管段优化方式具有合理性。     

相变构件表面吸收率及配比对蓄热过程影响的研究

通过实验研究了在不同的相变材料和石膏配比下相变构件表面涂刷黑、白2种颜料对构件蓄热过程的影响。结果表明:相同表面吸收率、不同相变材料用量的相变构件中,相变材料用量为20%的白色相变构件的传热衰减度最大,为4.09;对比相同相变材料用量、不同表面吸收率,吸收率较小的白色相变构件的传热衰减度是黑色相变构件的1.4倍。相变材料用量为20%的相变构件蓄热开始时间比石膏构件早0.5 h。相变材料用量为20%黑色相变构件最大蓄热量为2160 k J/m2,是石膏构件的3倍,是相变材料用量为20%白色相变构件的2.5倍。     

新型复合多功能相变蓄热保温材料在北方住宅建筑中的应用研究

本文分别对复合相变蓄热墙体的传热特性、传热机理、热物性参数等进行了较细致的研究;在此基础上建立和求解了相变房间的传热模型;并通过多种比较实验,初步证明了复合相变蓄热墙体具有一定的节能特性;最后分析讨论了将相变墙体材料应用于不同类型房间和不同墙面位置后的的节能效果,以及在北方不同地区应用的可行性和发展前景。     

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。     

可更换型智能相变墙体

相变墙体目前仍然没有在建筑领域得到大规模推广应用,其中主要原因是无论有机类还是无极类相变材料在经历多次相变过程后性能都会出现不同程度的退化,耐久性差,另外相变材料的安装和维修性差,在相变墙体性能退化后只能通过整块拆除进行更换,代价非常大。为此,一种可更换式智能相变墙体,采用重力辅助热管作为高效传热器件,相变材料通过热管与墙体发生换热,重力辅助热管根据相变材料温度和墙体温度自动开启或关闭。与传统的一体式相变墙体相比,在相变材料性能退化时可以很方便的进行维修更换,并且此节能效果更好、使用寿命更长,安装方式灵活,易于推广。随着人们对建筑节能的日益重视,环境保护意识的逐步增强,以及相变墙体自身吸引力的提高,可更换型智能相变墙体具有非常广阔的应用前景。     

套管封装相变材料准稳态传热模型研究

本文建立了套管封装相变材料的准稳态简化传热模型,对定温边界条件下相变套管凝固、熔化过程的传热特性进行了模拟分析。进一步将准稳态简化模型的模拟结果与套管封装相变材料CFD数值传热模型的计算结果进行对比分析。结果表明,在相变过程中,准稳态简化模型计算的套管内工质(不流动)的温度与通过内、外套管表面热流及其变化趋势与数值计算结果一致,温度平均误差小于0.5℃,热流平均误差小于10%,模型准确性较好。准稳态简化传热模型的计算时间不到数值模型计算时长的1%,计算效率高,易于嵌入建筑热湿软件包进行集成模拟分析。     

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。     

一种相变储能设备的强化传热数值研究

提出了采用铝片强化相变储能设备传热的新方法,并采用软件进行了二维数值模拟,得到了随时间变化的相界面位置、温度分布、表面热流和总凝固时间.从计算结果可以看出铝片结构参数和相变材料导热系数对传热性能的影响.     

相变热回收式通风装置的研发及性能测试研究

随着建筑节能标准的提高,建筑外窗气密性要求不断提高。靠门窗渗透的自然通风量已不能满足室内空气质量的要求。采用机械通风的方式引入新风也存在着通风量的大小及通风模式会影响建筑节能的问题。为此,将相变蓄能技术应用于民用建筑的机械通风系统,研发出一种相变热回收式通风装置,以更好地解决室内空气质量和节能问题。所研发装置利用相变材料的蓄、放热性能,通过交替运行的通风模式,以及通风装置的不断循环,实现无管道式的相变热回收式建筑通风系统。主要采用实验研究的方法,在人工气候室内对研发样机进行了2个蓄、放热周期(4种工况)的测试研究。结果表明,相变热回收式通风装置的进口温度恒定、出口温度随时间不断变化,不同时间阶段呈现不同的变化趋势。第一时间阶段,即初始阶段,出口温度随时间变化剧烈,表明相变蓄能装置进入相变阶段,相变潜热量不断增大。第二时间阶段,即相变阶段,出口温度随时间呈线性变化,表明相变蓄能装置温度恒定,与空气流体发生稳定的相变传热。第三时间阶段,即完成阶段,出口温度变化小,基本接近进口温度,表明相变蓄能装置相变结束。从相变传热机理进行分析,固-液相变传热过程主要包括液态显热蓄(放)热、相变潜热蓄(放)热和固态显热(蓄)放热3个阶段,实验过程中出口温度随时间变化呈现出的几个时间阶段的不同规律,与相变传热机理有关联且相互对应。相变热回收式通风装置的风量恒定、不同进口温度工况下的对比数据表明,进口温度与相变温度的温差越大,初始阶段的出口温度变化越剧烈,相变阶段的出口温度线性变化率越大,且蓄、放热效率越高。进口温度与相变温度的温差约17℃时,蓄、放热效率分别达到56.2%(蓄)、50.8%(放)。     

基于孔隙尺度研究梯度孔隙率结构对固液相变的影响

为了进一步研究方腔内固液相变的过程,本文基于格子玻尔兹曼方法(LBM),采用两区域模型探究了方腔内填充不同方向梯度孔隙率分布的多孔骨架固液相变过程,从孔隙尺度分析了相变过程的流动和传热机理;并对梯度孔隙率多孔介质内固液相变过程中的糊状区做了详细的描述;重点研究了方腔内不同方向梯度孔隙率分布和均匀孔隙率骨架分布对相变过程的影响。研究结果表明:在填充多孔介质固液相变过程中,传热方式由热传导逐渐向自然对流换热转变,从而导致了上薄下厚的糊状区;在填充多孔介质骨架方腔内,不同方向的梯度孔隙率分布对相变过程的影响是不同的,与均匀孔隙率相比,从左到右线性减小以及从上到下线性增加和减少的多孔介质孔隙率分布,其融化率和高温壁面平均Nu数都较大,表明其孔隙率梯度分布的多孔骨架对相变换热起到了明显的促进作用;而当多孔介质孔隙率分布从左到右线性增加时,相变过程则受到明显的抑制。     

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...     

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...     

冻融循环过程中岩石热传导规律试验及理论分析

 为研究岩石在低温环境下内部温度场随冻结、融化过程变化特征,探讨岩石在冻融循环过程中整体热传导规律。现开展干燥、饱水状态下类砂岩试样冻融循环室内试验,分析类砂岩试样在冻结、融化过程中内部非等温传递规律;结合试验现象,从水冰微观结构探讨水冰相变过程产生的热传导弛豫机制;最后,基于热传导理论,详细探讨冻融循环干燥、饱水状态下岩石热传导方程,给出饱水岩石三阶段温度分布理论解,并通过与试验对比,验证理论分析的合理性。研究结果表明：(1) 冻融循环过程中干燥状态下的类砂岩试样,其温变曲线大体呈现负指数曲线特征,且越靠近边界面,温变速率越大,同时相对冻结过程,融化升温过程速率更快;(2) 冻融循环过程中饱水状态下的类砂岩试样,其温变曲线呈现明显的三区段过程,在水冰相变过程产生典型的缓温变段,且相对干燥状态,其温变速率均出现一定程度降低;(3) 利用水分子相变过程中微观结构变化,可较好地解释水冰相变过程造成的热传导弛豫现象;(4) 给出了干燥、饱水状态下岩石热传导方程,并借此探讨了饱水状态下固相、液相及相变区温度理论解,通过与室内试验对比,验证了理论分析公式的合理性。研究对认识冻融环境下岩石内部温度场演化规律具有一定参考价值。     

相变墙体冬季传热性能评价及相变参数优化

本文从相变墙体冬季的传热过程出发,提出“保温因子”和“放热因子”评价其传热性能。然后,利用热阻法建立相变墙体在冬季的传热模型,并利用单因素分析的方法研究相变墙体内外层热阻和相变温度对“保温因子”和“放热因子”的影响,结果显示当相变墙体的作用是保温的情况下,相变层应布置在墙体的外侧,相变温度应该接近室内空气温度。当相变墙体的作用是放热的情况下,相变层应布置在墙体的内侧,相变温度应该尽量高一些。本研究可以为相变墙体的应用提供理论支持。     

热电热泵相变蓄热装置原理及性能实验

探讨了热电热泵相变蓄热装置的工作原理。对热电热泵相变蓄热装置蓄热、放热工况下相变材料(石蜡)温度、状态的变化及制热性能系数进行了分析。实验条件下,相变材料的相变过程明显,蓄放热效果理想。蓄热阶段,余热热源温度为32℃、工作电压为8V时,制热性能系数达到2.2;放热阶段,被加热冷风温度为25℃、工作电压为4V时,制热性能系数达到5.6。     

含不同结构金属骨架石蜡相变传热数值模拟

分别将2种三维金属骨架(面中心法金属骨架,圆柱交叉金属骨架)加入纯相变材料(石蜡)制备复合相变材料1,2。采用数值模拟方法,模拟相变传热过程,分析加热过程纯相变材料,复合相变材料的温度变化,液相率变化,速度场分布。容纳石蜡的方腔长×宽×高为5 cm×2 cm×5 cm,方腔左壁面为加热面,温度为65℃,其他壁面绝热。纯相变材料,复合相变材料的初始温度均为25℃。相同加热时间,复合相变材料的平均温度明显高于纯相变材料。对于纯相变材料,热量向方腔右侧壁面传递缓慢,加入金属骨架可加速热量向方腔右侧壁面传递。相同加热时间,复合相变材料的液相率明显高于纯相变材料。在加热初期,复合相变材料1液相率更高,添加面中心法金属骨架更有利于加速相变蓄热。纯相变材料内部传热由导热和自然对流传热共同作用形成。复合相变材料内部的传热也是由导热与自然对流传热共同作用形成。相同加热时间,复合相变材料1的液相区域要大于复合相变材料2,且相变更加均匀。对于纯相变材料,熔化过程中,石蜡的流动主要集中在加热面附近及左上角,角化现象明显。对于复合相变材料,在接近完全熔化及完全熔化状态,固态石蜡基本熔化完成,方腔内液态石蜡温度基本趋于一致,自然对流强度减弱,复合相变材料1,2内石蜡的流动并不明显。与复合相变材料2相比,复合相变材料1的速度场分布更加均匀。面中心法金属骨架的综合性能更优,适合作为相变材料的强化传热金属骨架。     

建筑外表相变隔热研究(I)——变换法求解恒温作用下相界面移动位置及速率

本文从建筑外表隔热的角度,首先建立了相变传热的数学模型,利用拉普拉斯变换方法,分析了边界恒温作用下相变材料中的相变过程。而后从理论上导出了相界面移动位置和速率的计算公式,公式表明,相界面移动位置与时间的平方根成正比,相界面移动的速率与时间的平方根成反比,两者都与相对于相变点的边界剩余温度的平方根成正比。所得结论为波动热作用下建筑外表相变传热数值计算奠定了基础。     

建筑外表相变隔热研究(Ⅲ)——多重相变温度和材料用量确定的理论与方法

本文首先阐述了利用拉氏变换确定多重相变温度和材料用量的原理,而后导出了利用反应系数法计算多重相变温度和材料用量的方法,最后以厦门普通屋面为例,分析说明了该理论与方法的具体应用.实例分析结果表明:内、外侧热作用引起的围护结构中的温度和热流变动可分解为单侧热作用引起的变动值的迭加;单侧热作用引起的围护结构中的温度和热流变动可用反应系数法来计算,温度反应系数和热流反应系数可分别由式(12)和式(13)计算确定;多重相变温度和材料用量可分别按式(14)和式(17)计算确定;当多重相变材料用于建筑外表面隔热时,相变温度可基于室外综合温度日平均值来确定;利用多重相变材料进行建筑隔热一般只需几毫米的相变层厚度.