基于泡沫铜/石蜡的锂电池热管理系统性能

高效的热管理系统能极大提高电池使用寿命并保证电池安全运行。为提高能源利用效率,针对动力电池组散热问题设计了基于相变材料的被动式热管理系统。采用泡沫铜/石蜡构成复合相变材料以提高石蜡的导热性能,并对复合相变材料导热性能进了测试。通过改变孔隙率、加热功率及环境温度,对不同工况下基于复合相变材料的热管理系统性能进行了实验研究。实验结果表明,泡沫铜孔隙率分别为96%、95%以及93%的复合相变材料的热导率分别是纯石蜡的14.2倍、19.2倍和25.4倍。基于复合相变材料的热管理系统能显著降低热源温度,其冷却性能优于自然对流风冷热管理系统。当热源发热量及环境温度为定值,相同结构复合相变材料下,泡沫铜孔隙率越低,热管理系统性能越好。基于复合相变材料的热管理系统能显著减小由于加热功率和环境温度变化导致的温度波动,提高了热源温度稳定性。     

泡沫金属复合PCM微结构传热储热过程模拟

以石蜡作为相变材料（PCM）,采用六面通圆孔三维结构模型,对泡沫金属复合PCM内相变熔化过程进行了数值模拟。研究了不同材料（Cu、Al、Ni、Fe）泡沫金属孔密度和孔隙率对复合PCM传热和储热性能的影响。结果表明,泡沫金属复合PCM传热过程受热传导和自然对流作用综合影响;随孔密度增加,复合PCM完全熔化时间缩短幅度逐渐减小,且泡沫金属热导率越高,孔密度对传热速率影响越大;泡沫金属复合PCM内存在非热平衡现象,孔密度和孔隙率增加均可减小最大平均温差,但对最终平衡时间的影响却截然不同;此外,泡沫金属复合PCM单位质量储热密度随孔隙率增大而增大,相比泡沫Cu、Ni、Fe复合PCM,泡沫Al复合PCM的单位质量储热密度较大,增加速率也较大。     

泡沫金属强化石蜡相变蓄热过程可视化实验

相变材料的低热导率是限制潜热蓄热广泛应用的重要原因。将相变材料石蜡真空条件下注入到泡沫金属铜内制备泡沫金属铜-石蜡复合相变材料,通过铜的高热导率及高孔隙材料的大面体比来强化相变换热过程。采用DSC示差扫描量热法对石蜡进行热物性测量获得准确的石蜡相变温度及相变潜热。以管壳式相变蓄热结构为对象,提取对称结构进行可视化设计,对比纯石蜡及泡沫金属铜-石蜡复合材料在相同运行条件下的相变过程,追踪二者熔化过程的相界面位置随时间的演化过程并布置热电偶准确测量材料内部的温度分布。结果显示加入泡沫金属后的复合材料的内部温差明显减小,温度分布均匀,蓄热热通量显著增大,有效缩短相变时间并缓解了自然对流造成的顶部过热和底部不熔化现象。     

有内热源的多孔层中自然对流的稳定性分析

采用局部非热平衡模型, 通过数值法和Garlerkin近似法, 分析存在均匀内热源和边界浓度梯度时, 有效热导率比、流体和固相间的传热系数、浓度梯度的大小以及内热源在流体与固相内的分布情况对水平多孔层中临界内热源Rayleigh数的影响, 来研究相关参数对自然对流的稳定性的影响, 并得到临界内热源Rayleigh数的表达式。结果表明, 浓度Rayleigh数的增加可以促进自然对流的形成;内热源为正时, 自然对流的形成区域主要位于上半区域;内热源为负时, 自然对流的形成区域位于下半区域, 内热源总是促进自然对流的发生;有效热导率比、流体和固相间的内部传热系数、内热源在流体与固相内的分布情况相互耦合, 影响自然对流的稳定性, 这种影响取决于各参数的范围。     

Thermal conductivity improvement of phase change materials/graphite foam composites

Effective thermal conductivity of composites of graphite foam infiltrated with phase change materials (PCM) was investigated numerically and experimentally. Graphite foam, as a highly-conductive, highly-porous structure, is an excellent candidate for infiltrating PCM into its pores and forming thermal energy storage composites with improved effective thermal conductivity. For numerical simulation, the graphite structure was modeled as a three-dimensional body-centered cube arrangement of uniform spherical pores, saturated with PCM thus forming a cubic representative elementary volume (REV). Thermal analysis of the developed REV was conducted for unidirectional heat transfer and the total heat flux was determined, which leads to the effective thermal conductivity evaluation. For experimental verification, a sample of graphite foam was infiltrated with PCM. The effective thermal conductivity was evaluated using the direct method of measuring temperature within the sample under fixed heat flux in unidirectional heat transfer. The results indicate a noticeable improvement in the effective thermal conductivity of composites compared to the PCM. Our numerical and experimental results are in agreement and are also consistent with reported experimental results on graphite foam. Moreover, the role of natural convection within the pores is found to be negligible.     

填充多级相变材料的套管式储热器性能研究

提出一种填充三级相变材料的水平套管式储热器,并建立该储热器的综合性能评价指标,基于该指标数值预测和研究了分隔壁面、翅片布置和方向等参数对系统综合性能的影响。结果表明：分隔壁面对PCM的自然对流有明显的抑制作用,且相变温度越高,抑制效果越显著;相对于无翅片结构,在各级PCM中布置翅片的储热器的综合储热效率提高了约2.27倍;不同翅片布置方向下PCM液相率的变化可分为两个不同阶段,且均匀布置的翅片结构（Case2）具有较优的综合性能;各级PCM间熔化速率的不均匀性是制约系统整体储热性能的关键因素;Case5的翅片布置方式使各级PCM间熔化速率的均匀性明显改善,与Case2相比,其综合储热效率提高了28.30%。     

高性能三水醋酸钠-尿素-膨胀石墨混合相变材料的制备及其在电地暖中的应用性能

采用尿素调节三水醋酸钠的相变温度到合适范围再添加膨胀石墨来降低过冷度,研制了高性能的三水醋酸钠-尿素-膨胀石墨混合相变材料,并对其在电地暖中的应用性能进行了研究。结果表明,当尿素质量分数为36.5%、膨胀石墨添加量为4%(质量)时,所得混合相变材料的熔化焓高达209.1 J/g,熔点在31.98℃,过冷度仅为2.04℃,热导率为2.349 W/(m·K),热可靠性良好;将用该混合相变材料制成的相变板安装在实验房的电地暖中时,实验房的热舒适度随着相变材料层厚度的增加而增加,但也带来加热时间和用电量的增加;当相变材料层厚度为10 mm时,电加热温度适宜设置在45℃;在热舒适度相当的条件下,有相变板的实验房与无相变板的参比房相比具有用电量小及电费低的优势。     

定热流边界下重力作用PCM熔化过程规律

为提升相变储热单元的相变材料(PCM)熔化速率,本文定义基于热源输入方向与重力方向的通用坐标,建立可视化实验装置与数学模型,探究定热流边界下夹角γ对方腔内PCM熔化的作用规律。结果表明,当夹角γ从0°增加到180°时,PCM熔化时间先增加后减少,最后轻微上升。当夹角γ为0°时,PCM以纯导热完成熔化;夹角为15°时,对应的熔化时间最长,相对纯导热过程增加了40.32%;夹角为120°时,对应的熔化时间最短,相对纯导热过程减少了63.11%。当夹角较小时,自然对流对PCM的整体熔化过程有抑制作用,只有在夹角大于一定数值时,自然对流才能促进PCM的熔化过程。此外,多工况下获取的最优夹角γ均在90°～180°,且相对更趋近90°。所以在实际工程应用中,规整相变储热单元的热源端最低点应该低于PCM端最低点。     

相变微粒乳液自然对流强化传热与稳定性研究进展

人工合成的潜热型功能性热流体同时具有流动性与高的蓄热或蓄冷能力,在自然对流的流动与传热中表现有复杂的非线性传热和流动现象。本文总结了该类流体在自然对流传热方面的最新研究进展,包括：自然对流的强化传热及其稳定性,乳液中微粒的粒径及其乳液热物性的影响,对该方面将来的发展趋势进行了展望。     

六水硝酸镁相变储热复合材料改性制备及储/放热性能研究

水合盐相变材料因具有较高的相变焓和较低的成本在中低温储热领域有着广泛的应用前景,但其在储放热过程中通常存在过冷度大和热循环稳定性差的问题。以六水硝酸镁为主要研究对象开展相变储热复合材料的改性制备及相变储热装置的研制,采用熔融共混法制备了以二水硫酸钙为成核剂的六水硝酸镁相变储热复合材料,利用差示扫描量热仪及步冷曲线法测试了相变储热复合材料的热物性和循环热稳定性。在此基础上设计并构建了储热量为152 kWh的相变储热装置和相变储热系统,并对其储/放热性能进行了测试。结果表明：添加了2%（质量）二水硫酸钙的相变储热复合材料具有较好的循环热稳定性,且在经过50次熔化-凝固循环后其过冷度一直保持在0.5℃内,相变温度保持在87℃左右,相变焓保持在150 kJ/kg以上;相变储热装置可实现高达27 kW的平均储热功率,在保证放热过程中出水温度不低于56℃的情况下,可实现8 kW的平均放热功率和92.3%的储-放热效率,可满足建筑采暖及日常生活热水需求。     

石蜡/膨胀石墨定形相变材料的性能

以石蜡为相变材料,利用膨胀石墨多孔网络结构,通过物理吸附法制备出石蜡/膨胀石墨复合相变材料,并通过模压法制成定形相变材料板块。采用差示扫描量热分析仪(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、偏光显微镜(POM)和Hot Disk 热常数分析仪等对复合相变材料进行了结构和性能的表征与测量,建立了冷/热循环实验系统以分析材料的蓄/放热性能等。结果表明:石蜡质量分数为80%的定形相变材料相变温度为27.27℃,相变焓为156.6 kJ·kg^-1。制备的定形相变材料具有相变过程形状稳定、热导率高、储热密度大等特点,并具有良好的稳定性和较长的使用寿命。     

三水醋酸钠相变储能复合材料改性制备及储/放热特性

水合盐相变储热材料普遍存在的过冷和相分离现象是影响其热稳定性和热性能的关键问题。以中低温水合盐相变储热材料三水醋酸钠（SAT）为研究对象,采用熔融共混法将羧甲基纤维素（CMC）和十二水磷酸氢二钠（DHPD）作为添加剂对三水醋酸钠进行了改性研究,通过各成分的配比优化制备了高性能相变储热复合材料,利用DSC及熔融-凝固装置对改性材料进行了热物性和稳定性的测试,分析了不同质量分数的添加剂对相变储热复合材料的相变焓、相变温度、过冷度及相分离现象的影响;在此基础上采用改性的SAT相变储热复合材料构建了高密度储热器并搭建了相变储能热水实验系统,研究了不同运行工况下相变储热器的储/放热性能。结果表明：添加0.5% CMC和2% DHPD的相变储热复合材料有效改善了纯SAT的相分离严重和过冷度大的问题,具有良好的热稳定性,多次循环后复合样品的相变焓为258 kJ·kg^-1,相变温度为57℃,过冷度在2℃以内;相变储能热水系统在不同放热工况下出口水温度均超过50℃,放热过程中相变材料温度变化平稳,储热器的储放热效率高于90%,放热功率大于10 kW,且随着入口水温下降,放热功率、放热量及储放热效率都提高,相变储热器的储能密度是传统水箱的2.6倍。     

基于相变储热技术的电池热管理系统研究进展

动力电池的最佳工作温度范围为20~50℃,因此热管理系统是其运行过程中不可分割的一部分。相变储热材料在发生相变时可以吸收或释放大量的热量并且温度基本保持不变,在电池热管理中得到广泛应用。本文综述了国内外基于相变储热技术的电池热管理系统的研究进展,主要介绍了基于相变材料的被动式热管理系统、主动式热管理系统以及主动式和被动相结合的耦合式热管理系统。综合来看,复合相变材料形状稳定性好、热导率高,可以有效地降低电池组的温度,提高电池组的温度均匀性。导电复合相变材料的电热转换特性还可用于低温下快速加热电池,实现加热-冷却一体化。然而在相变材料被动式热管理系统中,相变材料吸收的热量无法及时释放出去,热量的堆积会造成系统失效。将主动散热技术与相变材料耦合得到的耦合式热管理系统具有更好的控温性能、稳定性和安全性。此外,相变乳液以及相变微胶囊浆液具有比热容大、可相变等优点,替代水作为电池热管理系统的冷却介质可以获得更好的温度均匀性和更低的功耗。但相变乳液本身的稳定性差、过冷度大等问题亟需解决。总之,电池在高温和低温下都需要进行有效地温控,相变材料如何解决电池全温度段的热管理还值得进一步研究。     

Phasenwechselmaterial in Kugelkapseln für thermische Hybridspeicher

Heat and cold storage systems of buildings are based on different concepts of heat transfer. In thermal hybrid storage systems, the phase change material (PCM) is macroencapsulated in PCM objects which are positioned in the storage tank and around which the heat transfer fluid flows. The experimental investigations are dedicated to the loading and unloading properties of the PCMs macroencapsulated in spheres. It is shown that the specific heat transfer performance of a hybrid storage tank is directly dependent on the size of the spheres as well as on the specific thermal conductivity of the PCM.     

TPMS多孔铝-石蜡复合相变材料蓄热过程数值模拟及实验

传统相变材料受限于自身热导率小,其相变蓄热效率难以提升,通过在相变材料中添加具有高热导率的金属多孔结构是强化传热的重要手段之一。本文建立了三周期极小曲面（triply periodic minimal surface,TPMS）多孔铝-石蜡复合相变材料的三维、瞬态包含自然对流的相变蓄热模型,利用数值仿真结合实验的方法研究了TPMS多孔铝-石蜡复合相变材料在蓄热过程中的固液相界面演变规律、实时温度变化、热传输特性以及蓄热性能。结果表明,在纯石蜡中添加primitive杆状（primitive sheet,PS）、primitive壳状（primitive network,PN）两种TPMS多孔铝结构后,石蜡相变温度范围内出现明显的相变温度平台,PS-石蜡、PN-石蜡复合相变材料的相变起始时间较纯石蜡分别减少了74.1%与91.4%,竖直方向上的最大温度梯度由纯石蜡的1605.7℃/m分别下降至PS-石蜡、PN-石蜡复合相变材料的840℃/m、943.8℃/m,蓄热速率较纯石蜡分别提高3.10倍、4.69倍。最后,通过选区激光熔化（selective laser melting,SLM）技...     

不同加热温度和降温速率对含蜡原油析蜡点的影响

利用差示扫描量热法(DSC)对原油的析蜡特性进行分析,并得到了析蜡过程的热谱图和dh/d T-T曲线。以大庆原油为研究对象,对dh/d T-T曲线进行分析,探讨了加热理温度、温降速率对析蜡点的影响。结果表明:加热温度高于溶蜡点温度时,析蜡点随温变化小;加热温度低于溶蜡点温度,析蜡点随温度的降低先增大后减小。温降速率越大,析蜡点越低。     

十四醇软包锂电池散热特性实验分析

在空气自然对流状况下,研究了有机醇相变材料（十四醇）对软包方形锂电池放电过程的散热特性;同时建立锂电池散热系统物理模型,模拟相变体系中电池放电过程的温度变化,分析不同放电倍率对电池最高温度的影响。实验结果表明,环境温度为30℃时,在0.6C、0.8C和1.0C放电倍率下,锂电池温度分别下降了1.21℃、8.89℃和17.45℃;数值计算得出,环境温度为30℃时,锂电池在0.8C和1.0C放电倍率条件下,电池温度45℃以上的时长占比分别下降55%和58%;环境温度为35℃时,在1.0C放电倍率条件下,锂电池温度降低至65.14℃,超45℃时长占比为33%。相变材料只在其相变区间内起散热控温作用,数值模拟获得的电池温度变化与实验结果最大误差不超过2℃,研究结果对电池放电过程热管理技术应用有一定的参考意义。     

大型储油罐温降过程的研究进展

大型储油罐内原油的液位静止后的降温过程是一个伴随着导热、自然对流、太阳热辐射、相变以及移动边界的不稳定传热的过程,目前大型储油罐降温过程的研究方法主要采用试验测试和数值计算法。针对储油罐内部的原油导热和储油罐与外部环境传热等方面,对大型储油罐温降过程的研究现状迚行了分析,指出在计算大型储油罐的温降时需要处理好罐内原油的自然对流以及其具有移动边界的析蜡相变传热等问题,才能对大型储油罐的静液位降温过程迚行正确的研究。     

泡沫铜/石蜡复合相变储能材料的储放热过程及数值模拟

作为储热和热管理技术的重要材料之一,相变储能材料通常具有储热密度较大、相变温度变化较小的优势,但其热导率较低,热传递效率较差。本文将泡沫铜用于石蜡相变储能材料的传热强化,通过测定相变储能材料储放热过程的温度变化,考察了添加泡沫铜对相变储能材料储放热速率和温度均匀性的影响,且在实验基础上对储能材料的放热过程进行建模并求解,得到温度云图,为实际应用提供理论依据。结果表明,添加泡沫铜后,石蜡的相变储热和放热时间分别缩短了16.67%和14.71%;储放热过程复合材料中心层与外层中心点的最大温差分别降低了91.5%和87.5%;建立放热过程相变储能材料温度随时间变化的模型,对比实际值和模型预测值,得到相关系数及标准误差分别为0.99℃和0.13℃,证明该模型准确度较高,可有效预测相变储能材料的温度变化情况。     

多孔介质在高温相变蓄热中的强化换热

采用实验方法,验证了金属泡沫、膨胀石墨在高温蓄热系统中强化换热的作用。实验结果表明,在250～290℃之间,金属泡沫多孔材料能够提高纯硝酸钠的换热率2.1倍。由于多孔材料严重抑制了自然对流,在液相加热阶段,硝酸钠与多孔材料混合物的换热率不高于纯硝酸钠的一半。通过比较底部加热和顶部加热两种加热方式下蓄热系统的换热性能,进一步揭示了多孔材料对自然对流的影响。