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。     

肋片和多孔介质强化梯级相变储热系统性能的对比研究

针对于相变材料（PCM）导热性能差引起的梯级相变储热系统传热速率低的问题,利用三维数值仿真研究肋片和多孔介质对梯级相变储能系统放热性能的强化作用,在此基础上提出了梯度孔隙率进一步提升系统的放热性能,从PCM的放热速率和放热效率两个方面对梯级相变储能系统的不同强化方法进行了分析对比。结果表明肋片在显热放热阶段强化传热作用更显著,而多孔介质在潜热放热阶段强化传热更显著。整个放热过程只加入多孔介质比只加入肋片表现出更好的放热性能。同时添加肋片和多孔介质时,梯级相变系统放热性能最优,PCM完全凝固时间减少了40%。三种孔隙率梯度工况下,系统的放热效率无明显差异,但在负梯度孔隙率情况下,放热速率更高且更均匀。相比于正梯度孔隙率的情况,负梯度孔隙率具有更优的热性能。     

肋片和多孔介质强化梯级相变储热系统性能的对比研究

针对于相变材料（PCM）导热性能差引起的梯级相变储热系统传热速率低的问题,利用三维数值仿真研究肋片和多孔介质对梯级相变储能系统放热性能的强化作用,在此基础上提出了梯度孔隙率进一步提升系统的放热性能,从PCM的放热速率和放热效率两个方面对梯级相变储能系统的不同强化方法进行了分析对比。结果表明肋片在显热放热阶段强化传热作用更显著,而多孔介质在潜热放热阶段强化传热更显著。整个放热过程只加入多孔介质比只加入肋片表现出更好的放热性能。同时添加肋片和多孔介质时,梯级相变系统放热性能最优,PCM完全凝固时间减少了40%。三种孔隙率梯度工况下,系统的放热效率无明显差异,但在负梯度孔隙率情况下,放热速率更高且更均匀。相比于正梯度孔隙率的情况,负梯度孔隙率具有更优的热性能。     

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。     

加热方式对管壳式相变蓄热单元强化传热的可视化及数值模拟

为了提高相变蓄热系统在实际应用中的蓄热速率,本文建立了管壳式相变蓄热单元可视化实验平台,提出了一种外部加热法的强化传热方式,讨论了相变蓄热单元在外部加热法时的熔化特性和传热机理。通过Fluent软件模拟对比了外部加热法和内部加热法在熔化过程中的液相分数、熔化速率和均匀性等方面的差异。研究结果表明：外部加热法的使用能大幅提升蓄热单元的蓄热效率。与内部加热法相比,外部加热法在熔化过程中的传热和相变更加均匀。相比于内部加热法,由于外部加热法传热面积较大,熔化时间缩短了69.1%;在消除传热面积的影响后,外加热方法依靠广泛而强烈的自然对流使熔化时间减少了23.2%。     

应用于空分纯化系统的相变储热器建模及分析

为实现空分纯化系统污氮气余热的回收再利用,设计了一种采用相变储热器的新型空分纯化系统,同时提出了相应的相变储热器设计方法。首先,对空分纯化系统进行数据采集,并通过回归获得污氮气温度、流量等参数的特性函数。随后,建立了非稳态变温热源下的相变储热器动态数学模型,并推导相变材料在污氮气特性函数作用下的温度通用表达式。其次,以储、放热整体循环的最大放热量为目标函数,采用微分进化算法优化储热器内相变材料熔化温度、质量等关键参数。最后,通过穷举计算了单、双级相变储热器中相变温度与余热利用率之间的关系。计算结果表明,对于单级相变储热器,最佳的相变温度为59.67℃,最大余热利用率约为0.41;对于双级相变储热器,第一级和第二级的最佳相变温度分别为73.68℃和46.04℃,最大余热利用率约为0.52。本研究为提升空分纯化系统能效奠定了理论基础。     

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。     

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 k J?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 k W,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。     

组合相变材料强化固液相变传热可视化实验

采用高清相机和红外热像技术,对组合相变材料融化-凝固循环过程与传热特性开展了可视化实验研究。以填充三种石蜡的相变蓄热腔体为研究对象,追踪了腔体内固液相界面的动态演化过程和温度分布的变化规律。在此基础上,考察了相变材料布置顺序对蓄热腔体热性能的影响,分析了组合相变材料蓄热腔体的相变行为及强化传热特性。结果表明,相变温度较高的相变材料应靠近加热壁面布置;组合相变材料蓄热腔体存在多个固液相界面现象,不同相变材料可同时融化/凝固;与单一相变材料相比,组合相变材料的应用改善了蓄热腔体各单元相变速率的均匀性,提高了平均相变速率;组合相变材料虽然降低了蓄热腔体的显热蓄热量,但减小了温度变化速率,增强了系统的稳定性,并显著增加了潜热蓄热量,有效提高了相变蓄热腔体的总蓄热量。     

改善石蜡相变材料导热性能的研究进展

近年来石蜡作为一种相变储能材料受到越来越多的关注,由于石蜡PCM本身的导热系数偏低,导致储能系统在吸热或放热过程中的有效热率极低,热量无法快速有效地进行存储和释放。因此,提高石蜡PCM的导热系数成为了近年来的研究重点。主要从翅片结构、组合相变材料、复合相变材料、相变材料微胶囊化这几个方面总结了在改善石蜡PCM导热性能方面的国内外研究状况。     

基于相变材料的太阳能PV/T系统性能

利用相变材料（phase change material, PCM）的定温储放热特性,将脂肪酸类PCM填充在装有金属肋片的集热器中,对太阳能光伏（photovoltaic, PV）板进行温度调控,实验分析了不同间歇性热量调控策略下PV/T（photovoltaic/thermal）-PCM系统宏观性能。结果表明：PCM能有效缓解光伏电池的温度波动,但系统运行中PCM的温度分层现象较为严重,制约了其实际利用率;合理的热量调控策略对防止PV/T-PCM系统中光伏电池过热及提升系统性能至关重要,数据显示工况二（调控温度设为45℃,调控时长30 min）和工况三（调控温度设为50℃,调控时长30 min）在调控前后,其光电转换效率分别提升3.4%和2.6%;工况二对应的系统总效率为90.8%,工况三为84.45%,均在工况一（无调控）的基础上有显著提升。     

Melting heat transfer enhancement of a horizontal latent heat storage unit by fern-fractal fins

The latent heat storage (LHS) technique is of crucial importance in chemical energy engineering. Inspired by multi-bifurcated fern leaves, a mimic fern-fractal fin is designed to improve the thermal energy charging efficiency. This paper develops a transient melting model of a rectangular LHS unit using fern-fractal fins, and their melting behaviors are compared with the conventional fins. Besides, a parametric optimization of fernfractal fins is conducted for maximizing the thermal efficiency based on the response surface method (RSM). The results indicate that the temperature uniformity is more superior and the melting duration is shorter for the fern-fractal LHS unit when compared with the conventional one. Interestingly, the fern-fractal LHS device presents a slower heat storage rate during the initial conduction-dominated and early convection-dominated melting stages, while a prominent melting enhancement is achieved during the later melting stage. The shortest melting time is obtained based on the RSM technique when a fern-fractal fin with length ratio α=0.94 and branch angle θ=54.7° is utilized. Compared with a conventional fin, the averaged heat storage rate increases by 88.3%, and the total melting time is declined by 40.3% for an optimized fern-fractal fin.     

Heat transfer characteristics in low-temperature latent heat storage systems using salt hydrates

Heat transfer characteristics of a low temperature latent heat storage system have been determined for the circular finned and unfinned tubes using sodium acetate trihydrate as a phase change material (PCM). In the heat storage stage (melting process). the PCM heat transfer coefficient in the unfinned-tube system showed good agreement with the calculated value by the heat conduction equation. The heat transfer between the tube wall and the PCM was not enhanced by the fins in the thin-finned-tube system, whereas 2 times higher heat-transfer coefficient for the thick-finned-tube system over the unfinned-tube system was obtained. The experimentally determined heattransfer coefficients in the unfinned-tube and thick-finned-tube systems are in the ranges of 40–170 and 80–320 W/m²-k, respectively. The amount of heat storage for three systems has been correlated in terms of Fourier, Stefan and Reynolds numbers. The thermal performance of heat storage systems are found to be strongly dependent on the     

Melting heat transfer enhancement of a horizontal latent heat storage unit by fern-fractal fins

The latent heat storage (LHS) technique is of crucial importance in chemical energy engineering. Inspired by multi-bifurcated fern leaves, a mimic fern-fractal fin is designed to improve the thermal energy charging efficiency. This paper develops a transient melting model of a rectangular LHS unit using fern-fractal fins, and their melting behaviors are compared with the conventional fins. Besides, a parametric optimization of fern-fractal fins is conducted for maximizing the thermal efficiency based on the response surface method (RSM). The results indicate that the temperature uniformity is more superior and the melting duration is shorter for the fern-fractal LHS unit when compared with the conventional one. Interestingly, the fern-fractal LHS device presents a slower heat storage rate during the initial conduction-dominated and early convection-dominated melting stages, while a prominent melting enhancement is achieved during the later melting stage. The shortest melting time is obtained based on the RSM technique when a fern-fractal fin with length ratio α = 0.94 and branch angle θ = 54.7° is utilized. Compared with a conventional fin, the averaged heat storage rate increases by 88.3%, and the total melting time is declined by 40.3% for an optimized fern-fractal fin.     

三角形纵向涡在管翅式换热器的应用及优化

纵向涡能够在增加管翅式换热器换热系数,同时较小幅度地增加其流动阻力。本文通过对4种结构的翅片(未进行任何处理的平翅片,结构为高为H3/6、H4/6、H5/6且攻角为30°长高比为2)进行数值模拟。结果显示安装纵向涡发生器的翅片的传热系数明显增强,且最高增加49%。在换热系数增加的同时阻力系数j也有明显的增加。其中安装纵向涡H5/6型翅片的阻力因子增加最小与平翅片几乎相同。最后本文通过对综合评价因子j/f的比较得知安装H5/6型纵向涡翅片具有最好的综合效果。     

耦合相变储热的金属氢化物反应器吸氢过程模拟

基于金属氢化物储氢反应,建立了相变材料蓄热的固体储氢反应器模型,模拟研究了吸氢压力等操作参数及相变材料的相变温度、固(液)态导热系数、相变潜热等物性参数对固体储氢反应器工作过程的影响. 结果表明,相变材料的固态导热系数和相变潜热对固体储氢反应器性能的影响较小,相变温度和液态导热系数对反应器性能影响较大. 相变温度越低,液态导热系数越大,储氢反应器性能越好. 在使用最优的相变材料储能时,提高充入氢气的压力可加快反应速率,强化相变材料的传热,有助于进一步优化反应器的储氢性能.     

熔融盐斜温层混合蓄热单罐系统及其实验研究

经济型的蓄热系统设计对聚焦式太阳能热发电的市场竞争力影响效果非常明显,一个比较有效的方法就是采用斜温层蓄热。在斜温层蓄热单罐设计理念的基础上,提出了一种熔融盐斜温层混合蓄热单罐系统,该单罐的中段为斜温层显热蓄热,上部为高温壳管式相变换热器,下部为低温壳管式相变换热器。斜温层保障高低温熔融盐液在同一单罐内上下隔开,而高、低温壳管式相变换热器既增加了蓄热容量,又简化了熔融盐液的注入和出料结构。初步实验测定了该混合蓄热单罐系统的有效蓄热量,证实了其斜温层在放热与吸热循环运行中能稳定保持,并表明了该系统具有潜在的应用前景。     

多熔点相变材料堆积蓄热床蓄热性能分析

对采用多种不同熔点相变材料（PCM）构成的堆积蓄热床进行了数值分析。热水作为换热流体（HTF）自上而下流经蓄热床,熔化相变材料、蓄积相变潜热。石蜡作为相变材料被注射入聚碳酸酯球壳内形成相变胶囊,根据熔点高低依次排放在蓄热床的不同位置,熔点越高距离热水进口越近。假定流场稳定,采用一维Schumann模型计算HTF温度,相变模拟采用显热容法。分别对两种排列方式下采用2种、3种以及4种相变材料的蓄热床的蓄热过程进行了基于热力学第一及第二定律的性能分析,并将结果与单相变材料蓄热床进行比较。基于热力学第一定律分析结果表明,采用多种相变材料构成的蓄热堆积床蓄热速度更快,能量效率更高。基于热力学第二定律分析表明,平均熔点更高的蓄热床能够储存更高的火用。结果表明采用多熔点相变材料构成的堆积蓄热床能够显著地缩短蓄热时间,改进蓄热性能。     

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。