槽式太阳能集热与相变蓄热耦合模型(Ⅰ):模型验证及性能分析

建立槽式太阳能集热与相变蓄热耦合模型,开发数值模拟程序。研究一日中太阳辐射强度非稳态变化引起的集热器出口工质温度波动对相变蓄热单元蓄热性能的影响规律;并进一步对比分析单一相变材料和2级组合相变材料对蓄热性能的影响。结果表明,蓄热速率随时间呈现先减小、再增大、然后再次降低的变化规律,总蓄热量存在一个最大值。单一相变材料在14∶18时完全熔化,总蓄热量在16∶00时达到最大值;组合相变材料在13∶45时完全熔化,总蓄热量在15∶14时达到最大值。采用组合相变材料可以提高蓄热速率。     

基于圆柱形单元的储热装置放热实验研究

蓄热水箱作为太阳能供暖系统的重要核心设备,其性能直接影响着储能系统的整体运行效率。设计一种基于圆柱形相变单元的相变储热装置,并搭建相变蓄热水箱性能测试平台,通过单一控制变量法得到储热装置放热过程的温度变化曲线。研究表明：对于空间一定的储热装置,在等质量相变材料（PCM）时,相变单元的直径对装置放热速率的影响较大;相变单元之间的间距对装置放热速率的影响较小;当增大换热流体（HTF）的入口流量及降低HTF入口温度时,能大大减少储热装置的放热时间,提高储热装置的整体性能。     

圆柱形等距螺旋盘管式相变蓄热装置蓄热性能研究

文章设计了一种以石蜡为相变材料的圆柱形等距螺旋盘管式相变蓄热装置,并通过实验分析了该装置的传热特性,以及传热流体入口温度、入口流量对石蜡的融化特性、相变蓄热装置的蓄热量及相变蓄热系统总传热系数的影响。分析结果表明:融化后期,石蜡的融化速率会明显加快;当传热流体入口温度一定时,随着入口流量逐渐增大,蓄热装置的最终显热蓄热量略微升高;与传热流体入口流量相比,传热流体入口温度对石蜡融化速率影响较大;相变阶段,石蜡的传热性能较强,传热流体入口温度越高,石蜡的传热性能越不稳定。     

太阳能相变蓄热水箱性能实验研究

利用相变材料蓄热是提高太阳能系统效率的重要途径之一。为对比分析含相变材料蓄热水箱的性能,选用三水合乙酸钠,搭建了一套蓄热水箱实验系统,在初始水温为80℃、进水温度为20℃的工况下,对比分析不同进口流量下(2、6和10 L/min)相变蓄热水箱的热特性。实验结果表明:相变蓄热水箱的蓄热量较普通水箱增加了1.4%;随着流量的增加,水箱的混合数先减小后增大,火用效率逐渐降低,相变蓄热水箱的填充效率先增大后减小,且在6 L/min时达到最大值0.905。     

翅片式相变储能器内赤藻糖醇蓄热性能研究

为了研究翅片对赤藻糖醇(C_4H_(10)O_4)蓄热过程传热特性的影响,选取赤藻糖醇作为相变材料,首先利用实验方法验证数值模型的准确性,其次采用焓-多孔介质的方法对相变储能单元进行仿真计算,主要研究了翅片,以及翅片长度、翅片数量和翅片厚度等几何参数对蓄热过程中传热特性的影响。研究结果表明:添加翅片后,在翅片区域形成不同尺寸的涡,改善了流场分布,增强了液态相变材料自然对流的效果,使储能装置总蓄热时间比无翅片缩短了43%;在翅片参数的设计中,增加翅片长度可以有效缩短总蓄热时间,随着翅片长度的增加,总蓄热时间变化率减小;随着翅片数量的增加,换热面积增大,熔化速率增大,总蓄热时间缩短;随着翅片厚度的增加,储能速率加快,总蓄热时间缩短,且翅片厚度越厚,总熔化时间的变化率越大。     

圆柱形相变蓄热单元性能的理论与数值研究

对以石蜡为相变材料的圆柱形蓄热单元进行三维计算流体力学仿真并进行验证,研究蓄热单元的高度和内外半径尺寸对蓄热时间影响变化规律的同时提出理论计算方法,结果表明计算结果与模拟吻合较好,计算误差随蓄热时间增加而增大,当蓄热时间在104s以内时误差小于6%,可满足工程需要,为相变蓄热器的设计与开发奠定理论基础。     

Analysis of electrical resistivity of expanded graphite/paraffin composite phase change material

采用熔融共混法制备石蜡/膨胀石墨复合相变材料,使用半导体粉末电阻率测试仪对天然鳞片石墨、提纯石墨、可膨胀石墨、石蜡/膨胀石墨复合相变材料在不同压强下的电阻率进行测试。发现所有材料的电阻率都随压强的增加而减小,对导热性能最好的相变材料进行7次重复测试,材料电阻率在0.210～0.535 Ω·cm之间变化,依然小于1 Ω·cm,属于低电阻率材料。根据测试数据计算不同压强情况下相变材料单位体积蓄热量、密度、体积和电阻值。材料的单位体积蓄热量和密度随压强增大而增大,体积和电阻则相反,压强在4～10 MPa之间时物理性能比较稳定,在10 MPa左右时,相变材料电阻值比天然鳞片石墨最大增大884倍、体积1.9倍、密度0.6倍,单位体积蓄热量同比4 MPa时最大增加22.8%,压缩之后单位体积蓄热量提高。说明膨胀石墨/石蜡复合材料属于低电阻率相变材料,应用于沥青路面,能够实现升温和降温的双重效果。     

混合式填充床熔盐蓄热系统热性能分析

基于混合扩散中心对称(D-C)模型,考虑自然对流现象对液态相变材料(PCM)导热性能的影响,建立填充床蓄热系统的热力学模型,开发数值计算程序并通过文献实验数据对其进行验证。研究混合式填充床熔盐蓄热系统在工程规模下蓄、放热过程的循环热特性;从温度分布和填充床热装载率分布的角度评价蓄热系统的热力性能;并研究填充床结构对蓄热系统放热时间和系统容量因子的影响规律。结果表明随着总相变填充比例的增加,系统容量因子呈先增大后减小的趋势,系统放热时长则一直增加,且增幅逐渐减小;在一定的总相变填充比例下,存在最优的高、低温相变填充层体积比使系统的放热时长和容量因子达到最大值。     

球形单元储热装置蓄热特性的分析与优化

为提高太阳能利用率，设计一套相变蓄热装置，研究球形相变单元蓄热影响因素，保持相变材料（PCM）总质量维持在较小浮动范围内，对比不同直径、孔隙率、层间距，探究整个装置的蓄热性能。实验与模拟结果表明：同等条件下，相变球直径越小，蓄热时间越短。而考虑到加工制造难度及成本，直径为46或50 mm的蓄热球是最优选择；孔隙率、入口温度和入口流量对整体蓄热时间影响较大；相反，改变蓄热球层间距对蓄热时间的影响较小。     

Numerical study on performance enhancement of latent heat storage unit

建立了考虑液态相变材料自然对流的壳管式相变蓄热单元的三维模型,数值分析了自然对流对相变蓄热过程的影响.对比研究了外侧强化传热管和双侧强化传热管对相变蓄热单元蓄热性能的强化效果.结果表明,液态相变材料的自然对流,会引起固-液界面分布不均匀现象,采用外翅片管可以有效削弱这一现象;采用外侧强化传热管和双侧强化传热管,都可以缩短相变材料完全熔化以及整个蓄热过程所需时间.与采用光管时相比,采用外侧强化传热管时,完全熔化时间减少了18.0%;采用双侧强化传热管时,完全熔化时间减少52.5%.可见,采用带有外翅片的强化传热管,不仅可以削弱自然对流引起的固-液界面不均匀性问题,而且可以强化相变蓄热单元的蓄热性能.     

Al-Si-Cu三元合金在太阳能高温相变蓄热装置中的数值分析

相变蓄热材料是太阳能热发电系统蓄热环节的关键。Al-Si-Cu三元合金作为相变蓄热材料具有性能稳定、衰减指数低、蓄热性能优良的特点。在实验的基础上,采用DSC、Hotdisk等方法对不同金属含量的Al-Si-Cu合金的热物性进行研究,同时对其封装材料进行了选择;基于不同形状蓄热单元,用Fluent软件进行模拟,最终选择了一个圆形相变蓄热单元和一个正六边形蓄热模块。结果表明：Al-Si-Cu三元合金相变蓄热材料集合了Al-Cu合金质量潜热大和Al-Si合金体积潜热大的优势;圆形结构蓄热单元换热性能最优;正六边形的模块能有效提高空间利用率,且更易于拼接,这对大型相变蓄热装置在工程中的应用具有重要意义。     

相变微胶囊功能流体相变区间的影响因素和变化趋势分析

相变微胶囊功能流体所具有的相变区间是影响其强化传热效应和工程应用价值的主要因素。采用双流体数学模型通过数值模拟发现:在层流条件下,双流体模型能够很好地模拟颗粒相体积分数、管径和R e对相变区间的影响。功能流体的相变段长度和总吸热量都随着这三个因素的增大而显著增大。同时相变段长度还取决于入口温度和边界条件等因素。以直链烷烃为相变材料的功能流体在相变段的蓄热能力相近。但在同R e下,功能流体的相变段长度和总吸热量都随着囊芯材料相变温度的升高而减小。入口温度是影响相变材料熔化速度的重要因素。相变段的长度、总温升和总吸热量与流体入口过冷度都呈线性关系。在第一类边界条件下,相变段长度与壁面过热度呈指数为负的幂指数关系,而相变段总温升和总吸热量都随壁面过热度的增大而增大。     

管壳式换热器蓄热单元数值模拟与优化

相变材料导热系数低,导致相变蓄热装置无法快速地进行热量储存和释放,文中建立了翅片管和光管式相变蓄热单元的三维计算模型,采用数值模拟方法,从蓄热速率、蓄热量以及温度场等方面比较分析了翅片管和光管结构对储热性能的影响。结果表明:在光管外壁添加翅片可以缩短相变材料完全熔化以及整个蓄/放热过程所需时间;与采用光管结构相比,采用翅片换热管时,完全熔化时间缩短32%,完全放热时间缩短14.5%。可见,在一定条件下添加翅片有助于提高蓄热体的蓄放热性能,所得结论对实际工程中相变蓄热系统的设计和优化具有一定的参考价值。     

A numerical investigation into the charge behaviour of a spherical phase change material particle for high temperature thermal energy storage in packed beds

基于高温相变材料,对填充床储热系统中储热单元球体的储热性能进行了模拟研究.研究了不同传热流体温度和球体直径对球体储热性能的影响规律,对导热为主的相变储热过程与导热和自然对流共同作用的相变储热过程进行了比较分析,同时还探讨了高温辐射换热的影响.结果表明,相变时间随球体直径的增大而增大,随传热流体温度的增大而减小.当考虑相变区域自然对流时,总的相变时间显著减少,和单纯导热相比,完全相变时间缩短了近16%.在导热和自然对流的基础上加上辐射传热后可以看出,辐射换热强化了球体内的传热过程,加快了相变材料的熔化速度,强化了自然对流的作用.     

方形蓄热单元内铝铜合金熔化和凝固特性数值模拟

对中心带有恒温换热圆管的方形蓄热单元内铝铜合金的熔化和凝固过程进行数值模拟,研究相变材料(PCM)的熔化和凝固特性以及蓄热单元宽高比对PCM熔化和凝固特性的影响,并探讨蓄热面积系数对蓄热单元最佳宽高比的影响。结果显示,对于中心换热管直径为20mm、横截面积为6400mm~2的方形蓄热单元,PCM的熔化和凝固时间均随宽高比的增加呈现先缩短后增长的变化趋势,且当宽高比为1.56时,PCM的熔化时间最短,定义其为该潜热蓄热量条件下蓄热单元的最佳熔化宽高比;当宽高比为1.00时,PCM的凝固时间最短,定义其为方形蓄热单元的最佳凝固宽高比。此外,当蓄热面积系数增加时,蓄热单元的最佳熔化宽高比出现增大趋势,而最佳凝固宽高比保持不变。方形蓄热单元的宽高比应结合实际应用条件进行合理选择。     

一种太阳能储能装置的模拟计算与实验分析

利用太阳能相变储能技术提出一种新型太阳能储能装置,并搭建该装置的实验测试台,简要分析了该装置的结构和工作原理。将太阳能集热部分与储能一体化设计,在增强换热的同时降低了储能空间,具有良好的蓄放热性能。通过相关实验表明:装置蓄热时间为307 min,储能量为10.64 MJ;将流量为2.2 L/min、温度为33.2℃的冷水充入集热器,放热时长60 min,总出热水量为132 L,放热量为8.43 MJ,整体效率为64.7%。ANSYS模拟及相关实验验证,相变储能单元内部相变材料和装置放热过程中储能单元的温度变化对蓄热一体化集热器的设计具有参考价值。     

基于TRNSYS平台的PCM层储能电炉蓄热过程的数值模拟研究

为有效解决电能供需矛盾、改善储能电炉蓄热能力，研究基于TRNSYS平台的PCM层储能电炉蓄热过程的数值模拟方法。以蓄热式储能电炉物理模型为基础，在TRNSYS软件中建立储能电炉数学模型，采用PCM层分析储能电炉蓄热过程，实现建模、整理数据、求解、分析处理于一体的储能电炉蓄热数值模拟操作。实验结果表明：电炉体积为20 m³、蓄热流量为25 m³/h、蓄热温度23/13℃时电炉蓄热率最高；蓄热流量越小蓄热量越高，且蓄热流量对蓄热率影响显著；蓄热电炉上、中、下部温度总体变化趋势均为蓄热-平稳-蓄热，蓄热电炉内流体流速越大蓄热时间越短；蓄热式储能电炉内渐变螺距蓄热装置相较于恒定螺距蓄热装置的蓄热时间短；蓄热式储能电炉相变蓄热材料融化时间随密度增加而增加；当相变蓄热材料密度较小时，相变蓄热材料的平均流速大。     

组合式高温相变蓄热器蓄热过程的数值模拟

通过对相同管径蓄热管组成的高温相变蓄热器蓄热过程进行模拟,得到了蓄热过程中相变材料(PCM)温度和液相率随时间的变化曲线以及不同时刻液相率的分布云图。针对温度曲线和云图所显示的问题,在保证蓄热量的前提下,提出了蓄热管组合式排布的设计方案,并对其蓄热性能进行了模拟。研究结果表明,采用所提出的组合式方案有效地减少了蓄热时间,降低了"死区"对蓄热器蓄热性能的影响,使PCM的液相率分布更加均匀,可为用于太阳能热发电的高温相变蓄热器的优化设计提供理论依据。     

相变蓄热单元蓄/放热过程的数值模拟研究

建立同心套管相变蓄热单元的二维模型,并与文献对比验证,完成网格无关性和时间步长独立性验证后,数值模拟分析模型结构和流体入口速度对蓄热特性的影响,探究导热系数和相变材料的熔点对放热特性的影响。研究结果表明:采用波节管代替光管可优化蓄热单元的蓄热特性,且3#波节管的换热性能最优,相比于光管,蓄热时间可缩短39%;其他条件不变时,增加传热流体(heat transfer fluid,HTF)的导热系数,蓄热单元的放热效率先增后降,存在最佳值;当相变材料(phase change materials,PCM)的导热系数大于HTF时,继续增加PCM的导热系数会使放热效率下降;随着PCM熔点的增加,有效放热时间先增后减,在熔点为603 K时,放热效率达到最大值0.82。     

新型平底型相变蓄热器蓄热性能的数值模拟北大核心CSCD

为了解决相变材料低热导率所引起的换热效果差的问题,向相变材料中添加高导热的金属泡沫材料以加速固液相变过程、提升整体蓄热效率。然而,浮升力导致高温流体堆积在蓄热单元顶部,蓄热单元底部的相变材料较难熔化。为了改善底部难熔的现象,本工作在控制相变材料容积不变的前提下,以一定的比例切除蓄热单元底部,形成新型平底型相变蓄热器。通过数值模拟的方法,对蓄热单元熔化过程中的熔化率、蓄热量、熔化相界面、速度分布和温度分布进行分析。结果表明,新型平底型相变蓄热器能够有效减少底部难熔区域,从而提高蓄热器整体的蓄热效率。其中底部横切比为0.7时,完全熔化时间最短,比圆管缩短了18.12%。通过模拟结果的对比分析可以发现,去除底部相变材料减小了热源到蓄热器底部(难熔区)的距离,增强了熔化末期底部难熔区域的换热。在熔化末期,横切比为0.7的蓄热单元,在相界面处的流速比圆管的提高了2.10倍。说明底部横切强化了熔化末期蓄热单元底部的传热,减小了蓄热单元底部的低温区域,从而推动了整体的熔化进程。