分户式低谷电蓄热供暖系统的蓄放热特性

提出基于相变材料（PCM）的分户式低谷电蓄热供暖系统,通过数值模拟及实验研究对其蓄放热特性和供暖性能做出全面评价。采用Fluent对相变蓄热供暖系统的蓄放热过程进行了数值模拟,分析了不同入口风速、不同入口风温和不同种类蓄热材料等因素对蓄热供暖系统放热性能的影响,通过实验研究验证了模拟工况的正确性。结果表明,入口风速对系统放热性能的影响较大,随着入口风速的提高,系统平均出风温度降低,瞬时供暖负荷增大;入口风温对系统放热性能的影响微弱;复合相变材料（CPCM）由于具有更高的热导率,比纯十二水硫酸铝铵更加适合作为相变蓄热供暖系统的蓄热介质。本文设计和研究的分户式低谷电相变蓄热供暖系统具有良好的蓄放热能力,可为相变蓄热在低谷电利用场景作出有益参考。     

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。     

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。     

基于相变蓄热大胶囊的储热系统的换热研究

提出适用于家用的太阳能储存设备的一种由球形封装相变蓄热大胶囊的5个模块化单元组成的多联级蓄热系统。该系统以水作为能量载体,采用水合盐作为相变材料(PCM)。文中对蓄热系统的放热性能进行实验和数值研究,分析在1 m/s和0.5 m/s 2种进口流速下蓄热系统在放热过程中各箱体出口温度变化情况,将数值模拟和实验结果进行对比,并分析系统中各PCM胶囊内部温度场和液相率随时间的变化情况。结果表明：蓄热箱体通过串联可以增加系统的蓄热量,并使出口温度在一定时间内维持在标准温度(305 K)以上。与1 m/s流速工况相比,在0.5 m/s流速下出口温度在第2阶段的实验和模拟结果较为吻合,PCM凝固速率整体较慢,层级间温度分布和液相率差距更明显,系统出口温度更高,出口水温符合标准的出水时长增加了71.03%,但符合标准的出水量下降了17.07%。     

空间太阳能热动力系统回路的动态模拟

空间太阳能热动力发电系统的工作过程是一动态过程,系统的运行规律受太阳光照期和阴影期交替变化的影响.为了掌握空间太阳能热动力发电系统各参数的动态变化规律,采用集总参数法,从部件的数学模型出发,根据各参数间的相互耦合关系,建立了空间太阳能热动力系统的动态数学模型,对10 kW空间太阳能热动力发电系统的运行过程进行了动态数值模拟.结果表明：如果相变蓄热材料处于两相状态,相变蓄热物质的温度和系统发电功率就比较稳定;一旦相变蓄热材料进入单相状态,相变蓄热材料的温度和系统发电功率就会发生波动;要使系统的发电功率比较稳定,必须合理选择聚能器的面积,保证相变蓄热材料一直处于两相状态.     

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。     

耦合边界条件下蜂窝陶瓷传热及气体流动特性的数值模拟

通过建立蜂窝陶瓷传热及气体流动的三维非稳态模型,运用计算流体力学(CFD)软件,在耦合边界条件下对蜂窝陶瓷的工作过程进行数值模拟,得到了启动过程中蜂窝陶瓷热端和冷端的气体温度及压力变化规律,以及稳定工作期内蜂窝陶瓷内气体温度、速度和压力的分布规律。为采用蜂窝陶瓷作为蓄热体的高温空气燃烧技术的开发提供了一定的理论依据和指导。     

复合蓄热材料的研制与应用

以KAl(SO4)2·12H2O为相变材料,以多孔陶瓷为基体,采用熔融浸渍法制备了复合相变蓄热材料。此复合相变材料结合了潜热蓄热材料与显热蓄热材料的优点,并克服了无机盐相变材料相变过程无定型的缺点及陶瓷蓄热显热小的缺点。将自制的复合蓄热材料实际应用于咖啡壶加热设备中,实验结果表明加入复合蓄热材料后的咖啡壶每小时节能率达38.8%。     

平板微热管阵列-泡沫铜复合结构相变蓄热装置蓄放热特性

相变蓄热技术是节能减排的一个重要手段,在太阳能利用、余热回收和电力削峰填谷等领域发挥重要的作用。设计了以平板微热管阵列-泡沫铜复合结构为基础,多孔扁管为载热流体通路,水为载热介质,石蜡为相变材料的热管式蓄热装置。通过实验研究了蓄放热过程中装置内部石蜡的温度分布情况,不同载热流体温度和流量下的蓄放热功率变化,以及装置蓄放热效率等特性。实验结果表明,平板微热管阵列-泡沫铜复合结构可以使箱体内石蜡温度分布更加均匀;增加载热流体和相变材料的温差以及增大流量都可以提高蓄放热功率。实验条件下,该装置的最大蓄热功率为1.24 kW,最大放热功率为1.43 kW。装置蓄热效率为92%,放热效率为94%,总效率为87.4%。     

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。     

平板微热管阵列-泡沫铜复合结构相变蓄热装置蓄放热特性

相变蓄热技术是节能减排的一个重要手段,在太阳能利用、余热回收和电力削峰填谷等领域发挥重要的作用。设计了以平板微热管阵列-泡沫铜复合结构为基础,多孔扁管为载热流体通路,水为载热介质,石蜡为相变材料的热管式蓄热装置。通过实验研究了蓄放热过程中装置内部石蜡的温度分布情况,不同载热流体温度和流量下的蓄放热功率变化,以及装置蓄放热效率等特性。实验结果表明,平板微热管阵列-泡沫铜复合结构可以使箱体内石蜡温度分布更加均匀;增加载热流体和相变材料的温差以及增大流量都可以提高蓄放热功率。实验条件下,该装置的最大蓄热功率为1.24 kW,最大放热功率为1.43 kW。装置蓄热效率为92%,放热效率为94%,总效率为87.4%。     

二次换热式相变蓄热水箱的蓄放热特性研究

以三水醋酸钠为储热相变材料,添加成核剂和增稠剂,设计搭建二次换热式相变蓄热系统实验平台。通过实验分析了相变材料填充率、水的体积流率对相变蓄热水箱整体性能的影响。结果表明:蓄热时,二次换热式相变蓄热水箱温度分布比较均匀,相变材料升温速率与换热流体(HTF)升温度率基本保持一致。取热时,尽管添加的相变材料能够蓄存更多的热量,但相变蓄热袋占用了水箱的空间,影响水箱内换热流体对流传热。因此添加相变蓄热袋会影响蓄热水箱放热速率。与不填充相变材料的蓄热水箱对比,相变蓄热水箱取热量变小,取热效率降低。     

高温熔盐相变蓄热器模拟研究

为了模拟分析了用于太阳能热发电系统的相变蓄热器蓄热性能,选择导热油为传热流体,高温熔盐作为相变蓄热材料,通过数值计算对相变蓄热器进行模拟分析,研究其蓄热特性。通过改变入口速度和入口温度来分析其蓄热规律,然后在优化设计中提出了变管径思路来探究相变蓄热器的蓄热性能。结果表明,在导热流体处于湍流时,提高入口速度对蓄热影响不大,而提高导热流体的初始温度则大大提高了蓄热性能,变管径方案可以减少相变蓄热的总时间。     

八水氢氧化钡在热仓供暖中的应用

通过步冷曲线法与差式量热扫描法研究了以八水氢氧化钡为主要原料的复合相变材料的相变性能。并在60 MJ的热仓供暖实验系统中,对其蓄热性能进行了实验。实验表明,采用八水氢氧化钡蓄热的供暖热仓,有良好的蓄热能力,充热完成后,放热时间长达6.5 h以上,预计可以提供0.45吨以上的生活热水。采用移峰填谷的充放热模式,在实现能量的调配的同时,满足日常供暖的需求。     

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。     

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。     

中温相变蓄热材料研究进展

对中温相变蓄热材料(PCM)的定义范畴、应用领域、国内外发展现状进行了评述。中温PCM主要针对90~550℃的热动力环境,在太阳能热发电、有机朗肯循环、移动蓄热技术、分布式能源系统等方面有广阔的应用前景。指出进一步的研究方向是拓展中温PCM的应用场合,规范长期稳定性的表征与测试手段,重视与换热器开发以及应用领域的整合,并提出硝酸盐熔融盐混和物将是今后一段时期内中温PCM研发和培育的重点产品对象。     

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。     

高温蓄热堆积床蓄热单元传热特性的数值模拟

采用焓-多孔介质模型对高温蓄热堆积床蓄热单元相变过程进行模拟,探讨不同的封装材料、相变材料、熔化温度和运动粘度对相变材料熔化过程的影响。结果表明:当封装材料的导热系数远大于相变材料的导热系数时,封装材料对相变的影响非常小,可忽略不计;通过对比不同相变材料的熔化时间和蓄热能力可知NaNO_3、KNO_3、LiNO_3的完全相变熔化时间相差不大;高粘度的相变材料在相变过程中自然对流较弱,低粘度有利于相变材料熔化过程中的自然对流;熔化温度范围越小,越有利于相变材料的熔化。     

石蜡/纳米石墨复合相变储热材料的换热与放热效率

相变储热是提高能源利用率的重要手段之一,相变储热材料的换热系数与放热效率研究对太阳能高效利用具有重要意义。通过变换铝管管径、循环风速以及空气温度,计算出复合相变储热材料的换热系数及放热效率。结果表明:铝管管径不变,循环风速小于3m/s时,空气温度对换热系数影响很小,差值在1W/(m2·℃)左右;换热系数、放热效率都随风速的增大而有所提高,放热效率最大可达95.3%;随着管径增大,换热系数逐渐减少,放热效率却逐渐增大;适合石蜡/纳米石墨复合相变储热材料的最佳条件为管径30mm、循环风速3m/s以及空气温度90℃。