Simulation modeling and analysis of a high temperature phase change heat storage and exchange device

相变储热因单位体积储热量大,储热和放热过程温度基本恒定等优点而成为目前研究的热点。相变过程中涉及固液两相间融化和凝固的传热问题,其储放热过程是一个复杂的非稳态相变过程。本文对高温相变储热换热装置进行换热特性研究,通过研究储热单元的换热特性,基于FLUENT软件,结合装置的设计参数和相变复合材料的物性参数,对相变储热系统储/放热过程中内部的温度分布、传热速率和储放热效率进行了数学建模及模拟分析,重点研究了不同传热流体速度对单元储/放热性能的影响规律。根据仿真结果,在相变储热装置的设计中,可选择合适的空气流速,以实现不同的散热功率及储放热时间,满足不同用户的用热需求。物理实验表明仿真结果偏差较小,可为高温相变储换热装置设计、优化等工作提供依据。     

内燃机余热驱动的储热式有机朗肯循环试验研究

为了提高尾气余热利用率并削弱热源波动对有机朗肯循环的影响,提出了一种集成相变储热换热器的有机朗肯循环（organic Rankine cycle,ORC）系统,利用相变材料削弱尾气余热波动并储存热量。搭建了内燃机尾气余热直接驱动的储热式有机朗肯循环试验台架,开展了内燃机稳态工况和阶跃变工况下储热式有机朗肯循环的热力学性能和动态性能试验研究。结果表明,内燃机稳态工况下尾气平均温度和平均流量为342℃和0.142kg/s,蒸发压力为0.75MPa条件下储热式ORC系统平均输出功率约3.43kW,平均热效率可达到12.7%,平均尾气余热回收率可达40.1%。内燃机阶跃工况下,工质出口温度、蒸发压力和过热度均呈现快速下降的趋势。试验结果还表明储热式ORC具备完全抵御发动机工况小幅波动的能力。在发动机工况阶跃变化比例过大时,储热换热器可以实现对尾气的补热,从而延长储热式ORC的安全工作时间。     

中高温相变储热控制系统应用研究

介绍相变储热系统、相变储热装置及相变储热介质,通过对相变储热系统储热、放热工艺控制的研究,采用骄英能源专利产品高温相变储热装置搭建工艺系统试验台进行测试,分析不同工况下其提供稳定热源的控制策略以弥补太阳能光热不稳定的缺陷。最后结合储热示范项目进行详细数据分析, 探讨今后的优化方向。     

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。     

Solar multi-mode heating system based on latent heat thermal energy storage and its application

为克服太阳能间断性和不稳定性的缺点进而实现太阳能集热与采暖的能量供需调节和全天候连续供热,提出了基于相变储热的太阳能多模式采暖方法（太阳能集热直接采暖、太阳能集热采暖+相变储热、太阳能相变储热采暖）,并在西藏林芝市某建筑搭建了太阳能与相变储热相结合的采暖系统,该系统可根据太阳能集热温度和外界供热需求实现太阳能多模式采暖的自动控制和自动运行。实验研究表明：在西藏地区采用真空管太阳能集热器可以和中低温相变储热器很好地结合,白天储热器在储热过程中平均储热功率为10.63 kW,储热量达到92.67 kW·h,相变平台明显;晚上储热器在放热过程中供热量达85.23 kW·h,放热功率和放热温度平稳,储放热效率达92%,其储热密度是传统水箱的3.6倍,可连续供热时间长达10 h,从而实现了基于相变储热的太阳能全天候连续供热,相关研究结果对我国西藏地区实施太阳能采暖具有一定的指导作用。     

壳管式相变蓄热器传热效率研究

设计了一套定量测试不同工况下壳管式相变蓄热器传热效率装置。采用壳管式相变储热,石蜡填充入壳管间,管内通入冷、热载流体,模拟吸热放热过程。测试发现:相同入口条件下,单位时间传热量随入口水温增加呈线性增加;管内载流体流量加大有助于提高传热水平,15~60 L/h流量内单位时间传热量增速随流量增加放缓;不同材质传热管单位时间传热量变化并不明显,表明管道热阻在相变蓄热器总热阻中所占份额较小;相同工况下的蓄热过程,热载流体由下向上流动传热形式明显优于由上向下管排形式;尝试在封装相变材料中添加金属网状结构,强化相变材料内部热传导速率,对比发现相同工况下相变材料中添加金属网状结构,可提高10%~15%左右传热量。     

相变蓄热水箱的设计与运行特性研究

以肉豆蔻酸/膨胀石墨作为储热相变材料,分析肉豆蔻酸/膨胀石墨应用于水箱蓄热的可行性,计算出相变蓄热水箱临界取热温差为103.1℃,研制一种具有均流结构的相变蓄热水箱,并在此基础上设计一套用于测试相变蓄热水箱运行特性的实验系统。实验研究不同蓄热温度、储热单元数量和水箱内不同流速下相变蓄热水箱的蓄/放热特性。研究结果表明:融化过程中,较大的温差能加快相变材料的蓄热速率;在凝固过程中,为使储热单元热量释放出最多的可利用热量,水箱内水流速率取0.012m/s较适宜;相变单元可有效降低水箱内热水温度的下降速率,在包含150L蓄热介质的水箱中,取热温差为30℃,流量为3.3L/min的情况下,当蓄热单元占用水箱体积9.84%时,可比相同体积常规蓄热水箱多提供20%温度不低于40℃的热水。     

氢氧化镁热化学储热系统流化床反应器性能分析

热化学储热具有储能密度高、储存时间长、温度范围宽的优点,是目前极具前景的储能技术,流化床反应器具有出色的传热传质性能,非常适合应用于热化学储热系统.本工作基于双欧拉模型,耦合了传热方程与反应动力学方程,构建了二维轴对称非稳态的多相流化学反应模型,以氢氧化镁和氧化镁作为储热材料,对热化学储热系统流化床反应器内的储、放热过程进行了研究,并且分析了床层膨胀率、气体流量对储放热效率的影响.通过实验验证了模型的准确性,探究了反应器内的能量流动过程与能耗优化方向.结果表明,床层温度不受传热效率的影响,反应器内不同区域间以及气相与固相间的温度差值均小于1.0 K,放热反应动力学限制了反应器性能;高温气固反应能显著提高床层膨胀率,床层膨胀率和气体流量的变化对储热效率影响较大,对放热效率影响较小;放热过程中的气体预热量和储热过程中的颗粒显热是反应器能量优化的重点方向.本研究对热化学储热系统中的流化床反应器数值建模分析以及实验设计优化具有指导价值.     

基于相变材料的储热器及其传热强化研究进展北大核心CSCD

相变储热是具有广阔应用前景的储能技术之一,具有储热密度大、相变温度稳定等优点,但相变材料的热导率低制约了相变储热技术的发展。提升相变材料的热导率和储热器件的传热速率是有效的解决途径。针对相变材料热导率强化研究进展有大量综述,而对于储热器件层面的传热强化的总结较少,本文回顾了近10年国内外在储热器及其传热强化研究方面的进展。为适应不同应用需求,不同类型的相变储热器应运而生,根据储热器的工作模式和结构可以分为管壳式、填充床式、板式、热管式4类,本文系统地介绍了4类储热器的工作原理、优缺点以及强化传热研究,主要比较了结构优化后的储热器与传统储热器的传热速率和储/放热性能,结果指出对储热器的内部结构进行改进及拓展外部结构等方法能有效增加储热容量和储/放热速率,对于提高系统相变储热能力具有积极作用,分析表明后续的研究应该明晰储热器内部多相耦合传热机制,增强储热器对动态工况适应能力,拓宽应用范围。     

高温复合相变材料储热电暖器的储热性能CSCD

本文研究了基于高温复合相变材料的相变储热电暖器,对其储热性能、内部流场和温度分布及温度调控机制进行了实验和模拟研究,并与镁砖显热电暖器的储热性能进行对比。结果表明这类相变储热电暖器的储热平均温度高、平均温差小、出风口温度高,整体性能要优于镁砖显热电暖器。相同体积下两种电暖器储热量相当,但相变储热电暖器的重量可减轻1.6倍;在相同储热时间和储热温度下,同等重量的相变储热电暖器较镁砖电暖器可多储热68%。结果也展示了这类储热电暖器温度控制测点选择的重要性,当选取距离加热单元10 mm处的测点作为温度调控点时,电暖器内的平均温度和储热砖体的最高温度均能满足安全要求,而且加热单元电源在谷电8 h储热过程中只需启停两次。     

螺旋盘管式相变储热单元储热性能

以石蜡作为相变材料,制作了内通流体螺旋盘管结构的相变储热单元。在对储热单元储热过程进行传热分析的基础上,利用实验手段对储热单元在不同工况下的储热性能进行了研究。通过对其储热过程中相变材料相变过程的分析,提出储热器设计的优化方案。利用实验数据得到其准则关联式,为其在工程中的应用提供了依据。     

民用建筑用毛细管相变蓄能罐性能的实验研究北大核心CSCD

随着民用建筑领域谷电利用和太阳能热利用的广泛推进,相变蓄能罐的开发和应用变得尤为关键。本工作经相变蓄能装置内部传热的理论分析,设计了以高效毛细管换热装置为核心部件的民用建筑相变蓄能罐,搭建了相变蓄能罐性能测试实验系统,记录了工业相变材料的实时温度响应数据,探究了冷热水进口温度、流量及流向对相变蓄能罐热性能的影响。研究结果表明:同进温、同流量下流动介质逆重力流动的换热量是顺重力流动的1.1~1.2倍。流量变化在蓄热阶段占主导,温度变化对放热阶段影响较大,而小流量工况下,出水温度的持续稳定性更好。对于“蓄热快且容量大、放热慢且水温高”的功能需求,蓄热阶段工质入口温度70~75℃适宜,毛细管内工质流速推荐0.025~0.035 m/s。放热阶段毛细管内工质流速建议0.020 m/s以内。同时在实际使用中,30℃、85 L/h出水工况下单台蓄热2次即可满足至少20 m2房间1天的间歇供暖需求,和至少3人次的淋浴需要。本工作为家用蓄能罐的工程应用设计、评价提供参考依据。     

碳酸锂钠共晶盐复合相变材料的储放热特性CSCD

对以碳酸锂钠共晶盐为相变材料,氧化镁颗粒为陶瓷基体和石墨为导热增强剂的复合相变材料模块储放热性能进行实验研究,并与纯相变材料进行了对比。结果表明,对于储热过程,添加有导热增强剂的复合材料模块储热性能明显高于纯相变材料,且其储热性能随着导热增强剂含量的增加而提高。当石墨质量含量从5%提高到30%时,材料模块整体的储热时间缩短29%。对于放热过程,实验考察了两种放热条件—自然对流和强制对流。结果表明,强制对流条件下材料模块的放热性能要优于自然对流条件下的放热性能。对比纯相变材料,复合材料模块的整体放热速率提高了近33%。     

相变储热在太阳能采暖中的应用研究

选用热管式真空管集热器、采用水和相变材料,探索利用太阳能短期蓄热系统为寒冷地区绿色示范建筑供暖。储热系统由1 m3的水箱和1. 6 m3的相变储热箱串联组成,选用改性石蜡基复合相变材料进行储热,相变温度为49. 1~59. 0℃,相变焓为158. 5 J/g。采暖季对系统进行了长期测试,结果显示,当地最冷月(1月份)室内平均温度达到14℃,11月~2月平均室内温度达到16. 54℃,储热系统的储热效率达到51. 65%。表明带有短周期储热系统的可再生能源系统供暖效果良好、稳定。     

相变储热预热式热泵热水器系统性能研究

对集储热、预热与放热于一体的相变储热预热式热泵热水器系统的工作性能进行了研究,并对储、放热过程中相变材料、制冷介质的温度变化及压缩机的功耗情况进行了分析,该储热式热泵热水器系统采用分段加热,利用储能材料对水的预热作用,减小水与系统工作介质之间的换热温差,降低压缩机的功率消耗,使系统COP提高,若储热阶段结合谷电的应用,系统节能效果将更加显著,该试验研究为此类热泵热水器的理论模拟及性能优化奠定了基础.     

水平多管式换热器内部相变石蜡储热特性实验研究

设计并搭建了水平多管式相变储热系统,以水为传热流体(HTF)、石蜡为相变材料(PCM),通过实验对储热系统的具体蓄热特性和不同操作条件下HTF与PCM之间的传热特性进行定量分析,评估了HTF体积流量和进口温度对紧凑型低温相变储热系统功率输入、吸热完成时间以及储存能量的影响。该系统主要由一个聚碳酸酯壳和水平定向的多管换热器以及石蜡组成,其中石蜡相变温度约为41℃。结果表明：随着HTF进口温度或体积流量的增加,吸热完成时间减少,平均吸热功率增大,且增加速率都随着进口温度的增大而变小;HTF体积流量分别为4.5,6.0和7.5 L/min时,吸热过程耗时300.7,252.9和226.7 min;在58,64和70℃的进口温度下,吸热完成时间分别为270.1,226.7和204.9 min;提高HTF进口温度,会导致换热结束时石蜡温度与HTF出口温度出现越来越靠近的趋势,而在提高HTF体积流量时,却呈现相反的趋势。     

雪花型翅片提高相变储热单元储/放热性能

相变储热技术能够很好地解决可再生能源在利用过程中的波动性和不稳定问题.然而,现有可供选择的相变材料均存在热导率低这一致命缺陷,导致储/放热速率十分缓慢,严重制约了其实际工业应用.为此,本文基于雪花晶体的分形结构,提出了一种新型翅片结构来提高填充了相变材料的潜热储存单元储/放速率.针对该单元储/放热过程进行了全三维多场耦合数值模拟研究,结果表明,在同一换热流体流动条件下,与具有相同体积的纵向翅片相比,雪花型翅片能够显著提高潜热储存单元的传热速率和温度均匀性,完全熔化/凝固时间可分别缩短26.87％和32.01％;尽管储热单元的储/放热速率均得到了大幅度提升,但是液态相变材料最大速度的积分平均值在储热过程中降低了26.83％,而在放热过程中提高了18.00％.     

新型动态保温相变Trombe墙体热性能的实验研究

通过测试一间有一面是相变材料另一面是保温材料的新型动态Trombe墙体的房屋全尺寸模型,对该墙体的热性能进行实验研究。以墙体和房间的空气温度以及通过墙体的热流量和气流速率来评估其性能。结果表明：在相变过程中,温度变化相对平缓;墙体从玻璃获得的热量占其获得总热量的26.2%,且利用其储存的90.1%的热量对房间进行加热;在相变材料放热期间,该墙体可降低室内温度的分层且房间中部的温度至少比室外温度高3.2℃。     

基于潜热填充床的双向变粒径结构热性能分析

为改善潜热填充床的储/释热性能，提出了一种优化的双向变粒径球形储热单元填充结构，并基于实验室搭建的中高温相变储热实验系统，模拟分析了该结构相较于传统结构对填充床储/释热效率和时间的影响。结果表明，在保证相同储热量下，双向变粒径结构能够有效的提升储/释热效率，延长有效热流输出的时间。其中20:30:20（体积比1:1:1）的双向变粒径结构输出有效热流的时间为6685 s，放热功率为846.1 W，相对于其他的填充结构，综合热性能最好。该研究能够为进一步实现储热系统能量的高效稳定与梯度利用做铺垫。     

基于分时电价的热泵供热系统相变储热应用研究

中国提出“双碳”战略,推进可再生能源利用和供热电气化,降低电供热成本已成为迫切需求。本文提出了一种新型含相变储热的热泵供热系统。供热系统利用富余的可再生能源发电量或谷电储热,在可再生能源间歇期或峰电时段放热,实现热电解耦、削峰填谷,提高系统经济性。基于相变储热装置使用的灵活性,控制策略可根据可再生能源发电特性或分时电价时段动态调整。本研究测试以谷电为主要驱动能源的系统运行特性,分析不同储热时间和储热容量对系统经济性的影响,在青海高海拔地区进行供热实验。结果表明,含相变储热的热泵供热系统比热泵直接供热耗电量成本降低5.28%;储能容量为75 kWh时,通过调节控制策略改变储热时间可使系统能耗和运行成本分别降低5.69%、13.5%;增加储能容量至150 kWh可调节峰谷电用量,谷电占比最高可达84.52%,运行成本可再降低10.04%。含相变储热的热泵供热系统具有良好的经济效益,合理利用其热电解耦特性可助力可再生能源消纳和电网稳定运行。