纳米颗粒协同肋片强化相变材料传热性能试验

以石蜡作为相变材料(phase change material,PCM),设计并搭建了一套PCM传热强化试验系统,在PCM中加入了高导热率纳米颗粒和金属肋片,结合温度数据采集系统对PCM熔化过程进行了试验测试,对PCM内部不同测点的温度变化趋势进行了分析,研究了纳米颗粒质量分数和肋片数对PCM传热性能的影响。结果表明：添加纳米颗粒可有效提升PCM温升速率,0.06%(质量分数,余同)石墨烯/PCM温升速率较高,与其他组分的石墨烯/PCM相比传热效果更好;加入肋片可加快PCM内部温度响应,9肋片/PCM的整体传热性能优于其他数量的肋片/PCM;纳米颗粒协同肋片结构可促进PCM传热性能的提升,9肋片、0.06%石墨烯/PCM与9肋片、0.09%石墨烯/PCM启动时间早,温升幅度高,传热性能好,为强化PCM传热性能中的较优组合。     

强化太阳能相变蓄热技术的研究进展

为解决太阳能的间歇性问题,常将其与相变蓄热技术进行结合。与传统显热蓄热相比,相变蓄热可将蓄热能量提高数倍以上,具有巨大的研究和应用价值。本文总结分析了相变蓄热的传热机制及在强化太阳能相变蓄热技术上的研究手段,如变换蓄热结构、添加肋片、使用相变胶囊、充注多相变材料、蓄热材料中添加高导热物质等。分析结果显示,相变传热机制中,融化过程主要考虑对流换热,凝固过程热传导占主导;使用肋片、相变胶囊等,主要增大相变材料接触面与蓄热体的比值,进而改善传热;蓄热材料添加高导热物质,可以改善相变材料的团聚、结核及使用寿命,从而提高导热性能,其中添加泡沫金属效果最为显著。     

管壳式太阳能相变储热器传热特性的数值研究

通过焓-孔隙法建立数值模型,研究石蜡RT50在管壳式太阳能储热器的传热特性,并分析储热器安装形式、不同管径和管外肋片结构对相变储热过程的影响规律。结果表明,立式储热器在管径较大时（相变材料区域厚度较薄时）熔化速度比卧式储热器快;而在管径较小时（相变材料区域较厚时）熔化速度比卧式储热器慢。卧式储热器相变材料熔化过程的初始时间段和末尾时间段热传导占主导地位,而中间时间段自然对流换热占主导地位,且熔化速度主要由自然对流换热决定。此外,管外侧安装肋片能够显著提高传热系数,缩短熔化时间。相较于无肋片管道,卧式储热器采用环肋管道可缩短熔化时长31.6%;采用直肋管道可缩短熔化时长42.1%。直肋比环肋具有更好的传热效果,主要原因为直肋能够强化熔化过程中的自然对流。     

相变蓄热复合传热强化技术综述北大核心CSCD

相变材料(PCM)通过在相变过程中吸热或放热实现热能的存储与释放。相变材料在热能存储和热管理领域凭借其相变区间温度稳定、储能密度大受到了广泛认可。然而,相变材料普遍存在热导率低的问题,需要结合传热强化技术进行改善。在采用某一种强化技术的基础上,两种或多种传热强化技术相组合的“复合强化技术”成为目前传热强化与相变蓄热性能改善的研究热点。本文通过对相关文献的分析,综述了目前复合传热强化技术的研究进展,包括以翅片为基础,分别结合热管、纳米颗粒、多孔材料和梯级蓄热,以及多孔材料结合热管、纳米材料和梯级蓄热等多种复合方式。分析表明:通过将热管与翅片或多孔材料混合使用,可以达到传热强化最佳效果;纳米颗粒与翅片或多孔材料的混合使用比同等条件下单独使用纳米颗粒更有效;采用梯级蓄热与翅片或多孔材料相结合相较于单独采用梯级蓄热具有更快的蓄/放热速率和更加均匀的换热流体出口温度。建议对其他可能的复合传热增强技术进行深入研究,并通过实验验证、优化蓄热系统的结构设计和具体参数探讨对蓄热性能的影响。     

肋片强化传热储能单元相变过程数值模拟

本文对阵列式肋片强化传热的石蜡类相变储能单元进行数值模拟,相变材料储存于阵列式肋片之间,热量通过铝材基座和肋片传递给相变材料。采用十八烷作为数值模拟的相变材料,其熔点是28℃,密度和动力粘度随温度变化,通过改变肋片尺寸以及边界条件研究相变材料的融化过程,通过分析温度场,流场,固-液两相分布探究相变规律,用无量纲参数分析肋片尺寸以及不同边界条件对相变过程的影响。结果表明,受自然对流的影响,随着时间推移,肋片处热流密度先增加后减少,基座处热流密度大幅度升高;相变材料融化后,对流换热是主要的传热方式;对于相变层偏薄的相变储能单元,宜采用小尺寸肋片,相变层偏厚的相变储能单元,宜采用大尺寸肋片。     

采用肋片强化相变蓄热器传热的模拟分析

为了增加同心套管式相变蓄热器的蓄能效果,采用环形肋片强化相变储能设备的传热,利用Fluent软件模拟了这种结构中石蜡相变的融化过程,得到了石蜡熔化过程温度场分布及熔化时间的规律,根据这些规律分析了肋片间距及厚度等参数对贮热管放热效果的影响。分析结果表明：石蜡的总融化时间随肋片间距增加而延长即传热效果变差,但是随着肋片厚度的增加而缩短,即传热效果变优,但是当或肋间距超过40mm和厚度超过2mm后,进一步增加肋片间距或者厚度对传热效果的影响变得不明显。     

纳米铝粉/石蜡/膨胀石墨复合相变材料的制备及性能研究

将具有导热系数高,与石蜡相容性较好特点的纳米铝粉加入到液体石蜡中,形成纳米铝粉/石蜡流体,利用膨胀石墨特有的网络状孔隙结构以及对石蜡的高吸附性能,制备出了纳米铝粉/石蜡/膨胀石墨复合相变材料,解决了纳米铝粉在液体石蜡中容易发生团聚和沉降的问题,并通过实验研究了其热物性能。研究结果表明:当石蜡与膨胀石墨质量百分比例为93/7,加入纳米铝粉的质量分数低于3%时,膨胀石墨可以稳定的吸附纳米流体,经反复循环蓄、放热,纳米流体不会出现泄漏问题,且对复合相变材料的体积和蓄热能力没有影响;膨胀石墨的网络状孔隙结构可以抑制纳米铝粉的团聚现象,但随着纳米铝粉含量的增加,纳米颗粒仍会发生团聚现象,复合相变材料的导热系数,蓄、放热速度均呈非线性增加。应控制纳米铝粉的加入量,当纳米铝粉质量分数为2%时,纳米铝粉颗粒未发生明显团聚现象,复合相变材料的热性能较好。     

Numerical simulations on performance enhancement of a cross-flow latent thermal energy storage heat exchanger

基于列管式换热器具有传热面积大、结构紧凑、操作弹性大等优点,使其在相变储能领域具有广阔的应用前景。本文建立一种新型列管式相变蓄热器模型,在不考虑自然对流的情况下,利用Fluent软件对相变蓄热器进行二维储热过程的数值模拟。本文主要研究斯蒂芬数、雷诺数、列管排列方式、肋片数以及相变材料的导热系数对熔化过程的影响,并对熔化过程中固液分界面的移动规律进行了分析。模拟结果表明,内肋片强化换热效果明显,特别是对应用低导热系数相变材料[导热系数小于1 W/(m·K)]的列管式蓄热器,相对于无肋片结构,加入肋片（N_fn=2）可缩短熔化时间52.6%。     

列管式相变蓄热器性能强化的模拟

基于列管式换热器具有传热面积大、结构紧凑、操作弹性大等优点,使其在相变储能领域具有广阔的应用前景。本文建立一种新型列管式相变蓄热器模型,在不考虑自然对流的情况下,利用Fluent软件对相变蓄热器进行二维储热过程的数值模拟。本文主要研究斯蒂芬数、雷诺数、列管排列方式、肋片数以及相变材料的导热系数对熔化过程的影响,并对熔化过程中固液分界面的移动规律进行了分析。模拟结果表明,内肋片强化换热效果明显,特别是对应用低导热系数相变材料[导热系数小于1 W/(m·K)]的列管式蓄热器,相对于无肋片结构,加入肋片(Nfn=2)可缩短熔化时间52.6%。     

石蜡与石蜡/膨胀石墨复合材料充/放热性能研究

利用相变材料的充/放热实验台测试石蜡及石蜡/膨胀石墨(质量比分别为93/7及90/10)复合相变材料的充/放热性能。实验表明纯石蜡在充热过程中自然对流是其主要的换热方式,而放热过程中导热是主要的换热方式。在充/放热过程中,石蜡的充/放热效率都较低。而对于石蜡/膨胀石墨复合相变材料,其导热能力较石蜡有很大提高,但由于添加了膨胀石墨而削弱了对流换热,其换热方式是以导热为主。因此,添加膨胀石墨对充热速率提高不多,而对放热速率有大幅度提高。石蜡/膨胀石墨(93/7)复合材料充热过程所用时间为石蜡的62%,放热过程的时间为石蜡的43%。石蜡/膨胀石墨(90/10)复合材料充热过程所用时间为石蜡的52%,放热过程的时间为石蜡的35%。     

Thermal energy storage of phase change materials in the solidification process inside the quasi-square heat exchanger: CFD simulation

The high latent heat of phase change materials (PCMs) makes them one of the most important sources of heat energy storage systems. However, due to the slow rate of heat transfer in these materials, using conductive materials such as fins and nanoparticles could improve the thermal efficiency of these energy storage systems. So in this article, cross-shaped fins and Copper(II) oxide nanoparticles with different synthesized forms and various volume fractions have been employed to increase the thermal efficiency of paraffin PCMs. In this simulation, three fin models based on the installed size, the shape of the synthesized nanoparticles in brick, cylindrical, and platelet forms, and the nanoparticle volume fraction of the Copper(II) oxide is 1%–4% are studied. Increasing the volumetric ratio of nanoparticle and shape coefficient decrease the time of solidification, while increasing the length of the cross-shaped fins raises the solidification rate and improves heat transfer. Finally, it was found that when the inner and outer walls play a role in the solidification process at the same time, the solidification rate will increase by more than 66% as more zone of the surface is exposed to cold.     

三套管式相变蓄热器强化传热研究

基于三套管式相变蓄热器的特点,提出应用T字形翅片来强化相变蓄热器的传热性能。研究结果表明:添加翅片可有效地降低蓄热器中相变材料的凝固和融化时间,直翅片和T字形翅片的混合强化结构能使凝固过程比未强化结构节省74%的时间,使融化过程节省60%的时间。因此直翅片和T字形翅片的混合使用可以达到进一步强化传热的目的。     

Optimization simulation of tube-type phase change heat storage unit

列管式换热器具有结构牢固、传热面积大、材料使用适应性强等优点,是相变储热领域应用较为广泛的一种换热器。但由于大部分相变材料热导率偏低,导致换热器的换热性能较差,因此提高相变储热器的储热效率,是目前国内外研究的热点。本工作对列管式相变储热单元进行了二维非稳态模拟优化,研究了换热器结构、翅片数目及中心距3种参数对储热性能的影响,并探讨了熔化过程中相变材料的温度和液相率变化趋势。研究结果表明,与圆形换热器结构相比,正方形换热器储热性能更优;相比于无翅片的储热换热器,添加翅片后储热性能得到显著提升,相变材料熔化时间缩短66%;对中心距而言,在一定范围内,随中心距减小进出口降压增大,但储热性能相应提高。     

相变蓄热供热装置热性能试验研究与系统经济性分析

为分析相变蓄热装置在充热和放热过程中的热性能,设计并搭建一套相变蓄热供热装置中试实验系统,研究主要运行参数对相变蓄热装置热性能的影响;在此基础上,结合项目案例,对相变蓄热供热系统经济性进行分析。结果表明：相变材料(Phase Change Material, PCM)凝固过程中的传热主要受相变介质内部导热控制;而在其熔化过程中自然对流对传热起重要控制作用;蓄热装置充热速率快于放热速率。提高传热流体流量有助于增强PCM中的热传递,缩短充/放热时间,但蓄热装置内PCM温度分布均匀性有所降低;为降低系统能耗,提高储放热效率,优先选用小流量进行充/放热。该相变蓄热供热项目的动态投资回收期为3.55年,具有良好的经济性。研究结果可对相变蓄热供热系统的设计及应用推广提供参考依据。     

相变贮热管管内强化传热的数值研究

以管壳式相变换热器为例,研究了肋片对增强贮热管管内传热的影响。建立了内部设置肋片的贮热管放热过程的数理模型,分析比较了不同的肋片参数,如肋片布置密度、长度及厚度等因素对贮热管放热效果的影响,并通过瞬态传热过程的计算,确定了与多种肋片布置方式所对应的相变贮热管的有效导热系数。     

Performance enhancement of high temperature latent heat thermal storage systems using heat pipes with and without fins for concentrating solar thermal power plants

A key drawback of using latent heat thermal storage systems for concentrating solar thermal power plants is the low thermal conductivity of the phase change material during the melting and solidification processes. This paper investigates an approach for reducing the thermal resistance by utilising axially finned heat pipes. A numerical model simulating the phase change material melting and solidification processes has been developed. This paper also includes the models of the evaporation and condensation of the heat pipe working fluid. The results show that by adding four axial fins and including the evaporation and condensation, the overall thermal performance of the storage system is enhanced significantly compared to having bare heat pipes. After 3 h a total of 106% increase in energy storage is obtained during the charging process. The results also show that the combined effect of incorporating the evaporation/condensation process and adding the fins leads to a threefold increase in the heat storage during the first 3 h. During the discharge process, there was a 79% increase in energy discharged and also the combined effect of incorporating the evaporation/condensation as well as adding the fins results in an almost four fold increase in the heat extracted within the first 3 h. A parametric analysis has also been carried out to analyse the effect of the finned heat pipe parameters after incorporating evaporation and condensation of the heat pipe working fluid.     

Research progress on heat transfer enhancement technology of phase change energy storage

相变储能是通过相变材料吸/放热过程来实现能量储存的技术,它能够解决热量供需时间、空间和强度上的不匹配,并以其高储能密度成为储能领域的研究热点,但由于相变材料的热导率较低,使其应用受到限制。针对相变储能材料熔化/凝固过程中热导率低引起的传热速率慢的问题,从优化储能设备结构、添加剂提高相变材料热导率以及联合强化传热技术三方面综述国内外相变材料储能强化传热技术的最新进展。通过比较各种强化传热方式的优劣,实验和模拟均显示复合强化传热即可解决相变材料热导率低,又增大传热面积,从而提高相变材料的传热性能;多孔金属作为导热添加剂增强导热效果更好;并提出了相变储能强化传热技术未来需要解决的相关技术难题。     

正交各向异性相变材料的无网格法传热模型及应用

利用无网格迦辽金(EFG)法建立正交各向异性相变材料的传热计算模型,基于该模型编程完成各向异性材料太阳能相变蓄热水箱和管壳式相变蓄热单元的相变传热分析,并探讨热导率因子和材料方向角对复合材料相变传热特性的影响.研究表明:在相同节点布置下EFG法的温度场和相界面计算精度均高于有限元法,EFG法在动态相界面追踪方面具有明显...     

Heat transfer of phase change materials (PCMs) in porous materials

In this paper, the feasibility of using metal foams to enhance the heat transfer capability of phase change materials (PCMs) in low- and high-temperature thermal energy storage systems was assessed. Heat transfer in solid/liquid phase change of porous materials (metal foams and expanded graphite) at low and high temperatures was investigated. Organic commercial paraffin wax and inorganic calcium chloride hydrate were employed as the low-temperature materials, whereas sodium nitrate was used as the high-temperature material in the experiment. Heat transfer characteristics of these PCMs embedded with open-cell metal foams were studied. Composites of paraffin and expanded graphite with a graphite mass ratio of 3%, 6%, and 9% were developed. The heat transfer performances of these composites were tested and compared with metal foams. The results indicate that metal foams have better heat transfer performance due to their continuous inter-connected structures than expanded graphite. However, porous materials can suppress the effects of natural convection in liquid zone, particularly for PCMs with low viscosities, thereby leading to different heat transfer performances at different regimes (solid, solid/liquid, and liquid regions). This implies that porous materials do not always enhance heat transfer in every regime.