太阳能热水相变炕体蓄放热性能及影响因素

提出一种太阳能热水相变蓄热炕的新型供暖系统,系统无须设置水箱,仅使用炕板与相变材料作为蓄热装置,可有效提高供暖效率。基于Fluent数值模拟平台,建立相变炕的二维非稳态传热模型,研究相变炕的蓄放热性能,并与混凝土炕的热性能进行对比;还分析了相变材料的相变温度和潜热对相变炕蓄放热性能的影响。结果表明,在设定工况下,与混凝土炕相比,上炕面的日间与夜间稳定温度分别提高2℃和4℃,上炕面最大温差由3.7℃降至0.8℃,全天得热量提高了66.36%。因此,相变炕具有上炕面温度较高、温度分布均匀、得热量大以及保温性能好等优点;提高相变温度,炕体得热量会有所减少,但对提升上炕面温度作用显著;增大相变潜热,可以显著提高炕体得热量,但对提升上炕面温度作用不明显。     

硫酸钠水合盐相变蓄冷材料的制备及性能优化

针对空调系统应用场合,提出一种以十水硫酸钠（sodium sulfate decahydrate,SSD）为主材的相变蓄冷材料新型制备配方,并对材料的各方面性能加以优化。首先采用步冷曲线法确定成核剂比例,消除材料过冷现象,在此基础上研究分析了不同种类、含量的增稠剂[聚丙烯酸钠（PAAS）、聚丙烯酰胺（PAM）、羧甲基纤维素（CMC）、聚阴离子纤维素（PAC）、黄原胶（XG）]对材料相分离及相变潜热的影响,接着加入熔点控制剂氯化铵、氯化钾改变十水硫酸钠的相变温度,调配出满足空调温区的相变材料,最后加入膨胀石墨（expanded graphite,EG）进一步改善材料的导热性和稳定性,并进行了热循环测试。结果表明：添加质量分数3%的硼砂对降低材料过冷度效果最佳;添加质量分数1.0%~2.0%的PAAS可以消除材料的相分离现象,且对材料的相变潜热影响较小。SSD-BPA∶EG质量比为93∶7时材料具有较高的导热性和形状稳定性。经优化后复合相变蓄冷材料的相变温度为7.4℃,相变潜热为117.4J/g,热导率为1.876W/(m·K),经200次循环后材料的相变温度保持稳定,潜热衰减率为14.05%。     

硬脂酸/十八醇/乙酸钠复合相变材料蓄/放热性能

首次将无机相变材料乙酸钠和混合有机相变材料（硬脂酸和十八醇）复合，获得三元复合相变材料。有机和无机相变材料复合可有效解决无机相变材料在相变过程中存在相分离、过冷度大和有机相变材料热导率低的缺点。利用同心套管蓄/放热实验台测试了乙酸钠/硬脂酸/十八醇三元复合相变材料的蓄/放热性能，分析了流体流量及温度对相变材料蓄/放热过程的影响，并结合Fluent数值模拟和实验结果分析了相变过程中相界面的移动规律。研究结果表明，三元复合相变材料在蓄热过程中自然对流起主导作用，放热过程中导热起主导作用，蓄热所需时间小于放热所需时间。蓄热过程中，相变材料的上部相界面横向移动明显快于下部；放热过程中，相变材料的上、下部相界面均匀地径向移动。     

Cu含量对Al-Cu-Si合金相变储热性能的影响

Al-Cu-Si基相变材料具有成本低、相变潜热高、抗氧化性能高等优势,是最具潜力的太阳能储存材料之一。而Cu含量对其储热性能特别是体积潜热有重要影响,但相关研究未见报道。通过差示扫描量热仪和激光热导分析仪研究了Al-Cu-Si合金的相变温度、质量潜热和体积潜热随Cu含量变化的关系,以及比热容、热扩散率和热导率等随温度变化的关系。研究结果表明,在Cu含量35%～55%时,Al-Cu-Si合金相变温度为512.5～604.2℃,质量潜热为354.4～458.1 J·g^-1,体积潜热为1524.1～1763.8 J·cm^-3。质量潜热和体积潜热均随着Cu含量的增加呈现出"双峰型"的变化趋势,Cu含量42%时质量潜热最大,为458.1 J·g^-1;Cu含量48%时体积潜热最大,为1763.8 J·cm^-3。Al-Cu-Si合金的热导率随着Cu含量的增加而降低,且在500℃时Al-Cu-Si合金的热导率为91.4～137.5 W·m^-1·K^-1。综合研究表明,Al-...     

槽式太阳能集热管内相变微胶囊悬浮液的热力性能分析

针对传统使用水基和油基的太阳能集热器换热效果低和管壁热应力大的问题,以相变微胶囊悬浮液为工作流体,对抛物型槽式太阳能集热器进行了三维建模。采用蒙特卡罗射线追踪法结合有限容积法和有限元法的方法求解了太阳能集热管的光?热?力耦合问题,采用欧拉?欧拉多相流模型研究了相变微胶囊悬浮液在集热管内的流动换热特性。结果表明,相变微胶囊悬浮液强化了集热管内的对流换热,不仅降低了集热管的沿程壁温,且减少了集热管的周向温差,均化了集热管温度分布。集热管周向等效热应力呈花瓣型分布,对应的5个高温度梯度的位置附近(圆周角θ=5°, 90°, 175°, 225°和315°)出现等效应力局部峰值。吸热管内壁面θ=90°处轴向热应力为压应力,作用于整个管程,而径向热应力和切向热应力为拉应力,主要作用在进出口端。相变微胶囊悬浮液浓度越高,强化换热效果越好,集热管热应力越小,但产生的压降也随之增大。     

VO2相变温度及性能的影响因素与应用研究进展

二氧化钒（VO2）作为一种相变金属氧化物,相变温度为68℃。在68℃以下VO2呈绝缘单斜相,在68℃以上呈金红石相,由于这种晶体结构的变化导致VO2在光性能和电性能方面表现出可逆的突变,从而成为光电开关领域的宠儿。基于此,本文对VO2的制备方法及其调控VO2相变温度与性能所采取的主要手段进行了综述,并归纳了不同制备方法的优缺点及调控VO2相变温度与性能的因素,总结了近年来VO2的应用进展,最后对VO2今后的发展趋势进行了展望,期望对相关领域的研究者具有指导作用。     

非相变固体蓄热材料的蓄放热特性

搭建了低谷电蓄能蒸汽发生换热测试系统,采用数据记录仪、Hot Disk热常数分析仪等仪器检测了刚玉球等非相变固体蓄热材料的热物性。通过实验与模拟相结合的方式,研究了粉煤灰、氧化镁、刚玉砂、刚玉球等材料的蓄放热特性。分析了蓄热材料种类和粒径大小对蓄放热特性的影响,得到了不同材料的蓄热密度和综合换热系数等关键参数。结合FLUENT非稳态模拟方法,模拟了蓄热体在不同材料粒径下的蓄热和放热温度场变化规律。结果表明：刚玉球能够提供充足连续的热量,可以作为一种性能良好的蓄热材料进行应用;随着刚玉砂粒径的增大,其蓄热密度和综合换热系数会增大,有效放热时间也会延长。     

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%。     

VO2相变温度及性能的影响因素与应用研究进展

二氧化钒(VO_2)作为一种相变金属氧化物,其相变温度为68℃。在68℃以下VO_2呈绝缘单斜相,在68℃以上呈金红石相,这种晶体结构的变化导致VO_2在光性能和电性能方面表现出可逆的突变,从而成为光电开关领域的宠儿。基于此,对VO_2的制备方法及调控VO_2相变温度与性能所采取的主要手段进行了综述,并归纳了不同制备方法的优缺点及调控VO_2相变温度与性能的因素,总结了近年来VO_2的应用进展,最后对VO_2的发展趋势进行了展望。     

基于二维梯度树状肋相变储热系统强化传热机理

设计了双碟式光热-光电储热发电系统,针对相变储热系统传热特性进行研究,建立了六纵肋、雪花型肋、梯度树状肋相变储热模型,采用Fluent软件对石蜡蓄释热过程进行模拟。通过非稳态传热温度场和速度场的变化分析石蜡熔化和凝固的传热机理。结果表明,石蜡熔化过程伴随着热传导与自然对流的协同作用,凝固过程对流换热微弱以热传导为主。从场协同的角度分析,采用梯度树状肋使空间温度分布更均匀,可提高流体速度场和温度场的协同程度。石蜡熔化温度分别为315、340、360 K,完全熔化时间依次为224、374、703 s;完全凝固时间依次为3439、1089、842 s。可见,随着熔化温度的升高,完全熔化时间增长,完全凝固时间缩短。因此,在选择相变材料时要综合考虑熔化温度、蓄释热初温和终温及储热量的要求。     

基于二维梯度树状肋相变储热系统强化传热机理

设计了双碟式光热-光电储热发电系统,针对相变储热系统传热特性进行研究,建立了六纵肋、雪花型肋、梯度树状肋相变储热模型,采用Fluent软件对石蜡蓄释热过程进行模拟。通过非稳态传热温度场和速度场的变化分析石蜡熔化和凝固的传热机理。结果表明,石蜡熔化过程伴随着热传导与自然对流的协同作用,凝固过程对流换热微弱以热传导为主。从场协同的角度分析,采用梯度树状肋使空间温度分布更均匀,可提高流体速度场和温度场的协同程度。石蜡熔化温度分别为315、340、360 K,完全熔化时间依次为224、374、703 s;完全凝固时间依次为3439、1089、842 s。可见,随着熔化温度的升高,完全熔化时间增长,完全凝固时间缩短。因此,在选择相变材料时要综合考虑熔化温度、蓄释热初温和终温及储热量的要求。     

Cu含量对高温相变材料Al-Cu合金热特性的影响

高温相变材料Al-Cu合金是蓄热性能最好的太阳能储存材料之一,而Cu含量对其热特性影响的相关研究未见报道。采用差示扫描量热法（DSC）和激光脉冲法（LFA）研究了Cu含量在7.4%~51.7%范围内的Al-Cu合金相变材料的相变温度、相变潜热、比热容、热扩散系数和热导率,并结合其金相组织对热力学性能变化规律的内在机理进行了分析。结果显示,当Cu含量在7.4%~51.7%范围内时,Al-Cu合金的相变温度在524.4~645.9℃范围内;随Cu含量的增加,Al-Cu合金的质量潜热呈递减趋势,而体积潜热却呈上升趋势。Al-7.4% Cu在熔化和凝固过程具有最大的质量潜热,分别为339.6、343.5 kJ·kg^-1。Al-51.7% Cu在熔化和凝固过程具有最大的体积潜热,分别为1179、1143 MJ·m^-3。当Cu含量在7.4%~51.7%范围内时,Al-Cu合金的比热容随Cu含量的增加呈递减趋势;当温度在25~500℃范围内时,Al-Cu合金的比热容随温度升高呈递增趋势。Al-7.4% Cu的比热容在25℃时为0.85 J·g^-1·K^-1,在500℃时达到最高值1.08 J·g^-1·K^-1。此外,Al-Cu合金的热导率随Cu含量的升高而降低,但即使Cu含量达到51.7%,其常温下的热导率仍然高达104 W·m^-1·K^-1。综合研究结果表明,Al-Cu合金作为高温相变材料具有在太阳能蓄热领域中应用的巨大潜力。     

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。     

壳管式潜热蓄能系统换热特性

针对目前石蜡潜热蓄能系统效率低下的特点,构建了石蜡/膨胀石墨混合相变材料的潜热蓄能系统,研究了其蓄/放热特性,并与纯石蜡相变材料系统进行了对比分析,讨论了不同换热流体流量下的蓄/放热过程的时间周期。用焓法处理相变区域,对该潜热蓄能系统的整体蓄热过程进行数值模拟。研究结果表明,对于石蜡／膨胀石墨复合相变材料,其导热性能较纯石蜡有很大提高,但由于添加了膨胀石墨而减弱了蓄热中石蜡的对流换热。流量提高对蓄/放热速率有明显的改善。焓法模型能全面反映蓄能系统的换热与流动特性,数值计算的结果与实验数据吻合较好。     

新型太阳能混合蓄热罐的放热特性

针对单罐系统的放热效率普遍较低,在单罐的基础上进行改进,增加一个壳管式相变换热器,构成单罐混合蓄热罐。建立了单罐混合蓄热罐的数值模型,将数值模拟结果与实验结果进行对比,研究了相同情况下混合蓄热罐与常规斜温层蓄热罐在放热特性方面的差异,并探究入口熔融盐速度和石英石颗粒直径的变化对蓄热罐放热特性产生的影响。结果表明,在入口熔融盐速度u_in=2.0×10^-4m/s下,混合蓄热罐的放热性能比常规斜温层蓄热罐更优;随着入口熔盐速度的增加,蓄热罐的总放热时间、有效放热时间以及放热效率均下降,并且混合蓄热罐中不同速度与放热效率有一定的比例关系;相对于常规斜温层蓄热罐,石英石颗粒直径的变化对混合蓄热罐放热性能的影响很小。     

Effects of thickeners on thermophysical properties of Alum as phase change material for energy storage

The main objective of this research is to characterize, via experimental analysis, the effects of thickeners on thermophysical properties of Alum (KAl[SO₄]₂·12H₂O) as phase change material (PCM) for energy storage. Six thickeners, including sodium carboxymethyl cellulose (CMC-Na), sodium polyacrylate (PAAS), polyacrylamide (PAM), polyvinyl alcohol, xanthan gum (XG) and methylcellulose (MC), are added in Alum. Then the thermophysical properties and the cycle stability are tested and analyzed by step cooling experiment, differential scanning calorimeter, hot disk, scanning electron microscopy, high-low temperature alternating test chamber, X-ray diffraction (XRD), and Fourier transform infrared spectrometer (FT-IR). The results showed that the adding of 2 wt% CMC-Na, 1 wt% PAAS, 2 wt% PAM, 5 wt% XG, and 1 wt% MC to Alum can effectively reduce the subcooling of Alum while still maintaining the latent heat at a high level. After stability test with 60 melting-solidification cycles, the results indicate that Alum with 1 wt% MC has the best thermal cycle stability and has the highest latent heat (230 J/g). The latent heat is only 8.1% lower than that of pure Alum after 1 cycle, and 11.1% higher than that of pure Alum after 60 cycles. The XRD, FT-IR, and thermogravimetry results show that it has good chemical and thermal stability.     

固-固相变储热材料的研究进展

与固-液相变材料相比,固-固相变材料（SS-PCMs）受到的关注较少;鉴于SS-PCMs具有储能密度高、无毒且腐蚀性小、相变时无液体产生且体积变化较小、不易发生相分离以及过冷度小等优点,因而是一类具有发展潜力的相变材料。本文基于SS-PCMs的研究现状,对近年来几类重要SS-PCMs如多元醇SS-PCMs、高分子类SS-PCMs及无机盐类SS-PCMs的研究进展进行了综述。简要阐述了SS-PCMs的分类以及各类SS-PCMs的性能、相变储热机制和优缺点。同时介绍了选择固-固相变材料应用时的基本原则,并针对相变材料热导率低,过冷度大、稳定性差等问题的改性研究进行了综述,还简要综述了SS-PCMs的应用研究。最后指出,未来的研究应着眼于解决已合成SS-PCMs的缺陷,开发多功能的SS-PCMs,并在SS-PCMs的实际应用方面实现突破。