Mg-Cu-Zn 相变储热材料充放热特性研究

设计并搭建了套管式中高温蓄热系统实验装置,采用Mg-Cu-Zn合金相变储热材料,空气为传热介质,利用Fluent软件对该套管式蓄热装置进行了数值模拟和充放热实验,分析了传热介质流量对蓄热装置充放热特性的影响,评价了蓄热装置的放热效率。结果表明,模拟结果与实验数据吻合较好,实验结果为中高温蓄热系统的优化设计和工程应用提供了理论依据。     

内插热管式太阳能集热器内相变材料的蓄热/释热特性研究

提出一种蓄能型内插热管式太阳能集热器,在太阳能真空管和振荡热管蒸发段之间充灌相变材料,提高集热器的瞬时集热效率. 利用Gambit软件建立内插热管式太阳能集热器的三维模型,基于FLUENT软件的凝固/熔化模型,以癸酸(CA)为相变材料进行模拟研究,采用Boussinesq近似法对比分析了考虑浮升力前后的真空管内温度场分布、液化率、不同测点的温度曲线的变化,探究了浮升力对集热器内蓄热/释热过程换热规律的影响. 结果表明,相变材料熔化过程中浮升力起着至关重要的作用,使得真空管内顶部的升温速度快于底部. 而凝固过程中浮升力的影响可以忽略不计. 蓄热过程中集热器内相变材料在轴向上的传热方式,固态显热和相变蓄热阶段以导热为主,液态显热蓄热时以对流传热为主,而在径向上始终以导热为主.     

扩展表面在相变储热中的强化换热研究进展

相变储热在节能、电力调峰等领域日益得到关注,然而相变材料热导率普遍较低,导致储热系统热性能较差。文中从强化换热角度出发,对以扩展表面技术强化相变储热单元热量传递相关的翅片、热管、翅片耦合热管或泡沫金属进行了综述。文献分析表明,上述强化换热元件均可显著提升储/释热效率,翅片结构和布置方式会影响相变材料的强化换热效果;热管与相变材料普遍有着较好的相容性,其对相变过程中的均温性较好;翅片耦合热管综合利用了二者之间的传热特性,且热管数量较翅片几何参数对相变材料的凝固/熔化影响更大。在未来研究中,通过拓扑优化获取几何结构更为优异的翅片、热管以及翅片与热管耦合对相变材料传热强化的机理具有重要的研究价值。     

蛇管换热器设计与校核计算软件

介绍了蛇管换热器设计与校核计算的数学模型、算法及开发的相应软件.利用本软件可对三种糟型(圆柱形蝶状底、平底圆柱形、平底正方形)、四种搅拌方式(平板叶轮、六片曲叶涡轮、螺旋浆、锚式)、管内三种流体传热类型(气体无相变、液体无相变、冷凝)、管外为液体无相变的蛇管换热器设计与校核计算.     

翅片管式相变储能换热器蓄放热性能的数值研究

针对目前换热器热量利用率不高、换热效率低的问题,提出一种翅片管式相变储能换热器。建立翅片管式相变储能换热器的二维传热模型,采用ANSYS软件对翅片管外相变材料的熔化和凝固过程进行数值模拟,分析不同翅片参数对相变熔化和凝固时间的影响,得出蓄放热阶段的传热规律。结果表明:在蓄热阶段,相变材料在同一高度优先在靠近换热管管壁处开始相变;在同一垂直面上,自上而下熔化。在放热阶段初期,相变区域对流作用较明显,相界线弯曲程度较大;后期时,对流换热作用逐渐减弱,固液相界线趋于平直。翅片的导热系数、厚度、间距的变化会影响相变材料熔化和凝固的时间,其中翅片间距起主要作用。     

蓄能型振荡热管太阳能集热器性能研究

本文设计了一种蓄能型振荡热管太阳能集热器,将其应用在蓄能型振荡热管太阳能热泵系统中,实现太阳能分季节全天候利用,提高能源利用率.使用Gambit软件建立蓄能型振荡热管太阳能集热器的三维模型,并利用Fluent软件对蓄能型振荡热管太阳能集热器中相变材料的蓄热过程进行了模拟研究,得到不同集热器结构参数、集热器内蓄能材料、太阳辐射强度、外界换热条件等对其温度场、液化率等的影响.根据模拟结果,振荡热管间距选17 mm,真空管后增设金属反射板,集热管内采用复合相变材料,夏季利用高温相变材料蓄热直接加热热水,冬季利用低温相变材料给热泵蒸发器供热,从而提高系统整体性能.     

蓄能供热型太阳能集热器结构优化

提出一种蓄能供热型太阳能集热器,将太阳能真空集热管、重力热管蒸发段、热泵蒸发器和相变材料集于一体,可有效克服太阳辐射波动性影响,结构紧凑,集热效率高. 利用FLUENT软件模拟研究蓄能供热型太阳能集热器内相变材料的蓄放热特性. 对比分析集热器内不同结构:重力热管蒸发段和蒸发器管路采用并排布置或三角布置时相变材料的温度场和速度场,结果表明,并排布置方式优于三角布置方式,相变材料完全熔化时间可缩短22.6%,完全熔化时相变材料储存的热量更多. 研究集热器倾斜角度对相变材料蓄热/释热过程的影响,结果表明,蓄热过程倾斜放置比竖直放置时相变材料的完全熔化时间缩短了约28%,而释热过程完全熔化时间不受倾斜角度的影响. 最后研究了相变材料的相变温度和相变潜热对相变过程的影响,结果表明,在能够满足相变材料蓄热所需的相变温度范围内,应选取相变温度较低、相变潜热较大的相变材料.     

仿生葫芦储热单元潜热蓄热堆积床数值研究

在碳达峰与碳中和的“双碳”能源背景下,传统封装相变材料（PCM）的储热单元与潜热储热堆积床（LHTES）系统无法满足当前的储热需求,而仿生学在储热领域的应用,可以为二者储热效率的提升提供一种全新的思路。为此,提出一种仿生葫芦结构的新型储热单元以增加传热面积,提高LHTES系统的热性能。优化仿生葫芦单元结构的尺寸参数对单元熔融特性的影响,确定最优熔融特性的尺寸参数。分析传统球形和仿生葫芦LHTES的温度分布、液相率、蓄热能力等性能指标的影响。结果表明,葫芦结构可提升14.5%的单元换热面积,与传统模型相比,仿生模型液相率和储热完成率最大可分别提升12.67%和6.2%。在此基础上,分析入口温度和流速对系统性能的影响,结果表明,进口温度对系统的储热性能影响较大,进口温度增大15 K,堆积床系统的储热时间比原来缩短59.6%。该研究可为优化LHTES系统、提高实际条件下的热性能提供参考。     

汽车余热驱动的回质型吸附空调系统的理论研究

针对传统蒸汽压缩式汽车空调的不足,分析比较了几种常见余热制冷技术在汽车节能领域中的应用,其中固体吸附式制冷空调被认为较有优势. 设计了一种新型汽车余热驱动的回质型固体吸附空调系统,分别利用热管式换热器回收高温尾气余热和相变蓄热换热装置贮存发动机循环冷却水余热驱动回质型吸附制冷空调系统运转,有效提高了燃料利用率和发动机性能,改善了车内热舒适性. 经计算,与传统压缩式空调相比,采用本系统后汽车百千米省油0.76 L,节能减排效果明显,经济效益显著.     

梭型凹凸板式换热器相变换热的优化研究

针对梭型凹坑凸胞板式换热器的凹坑流道,采用ANSYS Workbench进行了相变换热优化研究.以综合传热性能因子PEC、Nu、f为共同的目标函数,研究了梭型凹坑半径R、梭型凹坑长度L、凹坑分布间距P等结构参数对梭型凹坑凸胞板式换热器相变换热的性能影响.研究结果表明:梭型凹坑处水蒸气的体积分数明显高于平板处的水蒸气体积分数,说明梭型凹坑凸胞板对相变换热有着很好的强化作用,并且梭型凹坑流道的换热性能优于相应参数下圆形凹坑的换热性能.本研究中得到的最优结构R=3mm、L=5 mm、P=24 mm,此时对应的PEC=2.16、Nu=137.15、f=0.187 4.     

相变材料储热对热电模块发电性能的影响

研究了相变材料储热对热电模块(thermoelectric module,TEM)发电性能的影响。通过将相变材料直接嵌入到TEM与热源接触的位置,当热源停止工作或被移除时,TEM可利用相变材料在升温阶段存储的热能继续发电。实验结果表明,在冷端温度设定的条件下,增大相变材料的高度和直径,可增强嵌入相变材料的TEM的发电性能。在该实验中嵌入相变材料量最大的TEM"d30h8"发电量相较于没有嵌入相变材料的TEM增加了约12.68%。     

淋激式污水换热器换热管布置方向的选择

淋激式污水源换热器以其较高的换热系数,方便运行维护及消耗较少能量等优点,近些年来,广泛应用于污水源热泵空调系统中。文中针对淋激式换热器换热管的布置方向选择进行了研究,通过运用数学工具和CFD模拟等手段,对2种不同布置方式的换热管的换热系数、液膜覆盖率、有效面积率等进行了研究。得出了在污水源热泵工程项目中,当机房面积比较狭小但高度空间充足的情况下,采用纵向布置换热管的淋激式换热器可以取得较好的效果。     

百叶窗形叶片倾斜通道在变物性条件下自然对流换热系数数值模拟预测

百叶窗形叶片作为强化自然对流换热的一种方式在制冷、空调及计算机部件散热等场合有着广泛的应用.对百叶窗形叶片端部开口的倾斜通道自然对流换热以及流动过程进行了较详细的数值模拟,在考虑了变物性的影响条件下,给出了换热系数的预测公式.模拟研究表明,一般情况下上部的两个通道,通道空气质量流量随叶片温度升高,先增大后减小,变物性的影响不可忽略.百叶窗形叶片从底部叶片到顶部叶片换热情况逐渐恶化.叶片上下面的局部努塞数,一开始在通道入口沿流动方向减小,在接近通道出口处又增大,并且叶片下表面局部努塞数增大的值大于叶片上表面增大的值.这一现象用一种新理论———场协同理论进行了解释.     

相变储热装置的设计及保温仿真

为改善柴油机的冷启动性能,降低启动阶段有害气体的排放,以聚乙二醇(10000)作为相变储热材料,根据某型柴油机在低温下的升温需求,设计一种改善柴油机冷启动性能的多管道环腔相变储热装置.通过Fluent软件对该储热装置在环境温度分别为-40、-30、-20、-10和0℃情况下进行12 h的保温仿真计算,研究保温材料厚度和环境温度对其保温性能的影响,结论表明:在不影响车辆正常运行的前提下应尽可能地增加保温材料的厚度;选取50 mm厚的二氧化硅气凝胶作为保温材料,在-40℃的环境温度下保温12 h后,该装置仍具备加热冷却液的能力.     

导流板布置方式对空冷单元流场影响的数值模拟

空冷单元内部流场不均匀,A字架散热管束底角区域冷却不充分,导致凝汽器换热效率差.通过改变空冷单元内部导流板的布置方式,可改善其内部冷却空气的流场,提高空冷凝汽器的传热性能.采用RNG κ-ε湍流模型,对不同布置方式的导流板空冷单元进行数值模拟,分析对比了导流板倾角在20°~50°和导流板数量在2块-10块范围内散热管束表面的温度场.结果表明:加装导流板的空冷单元内部流场均匀性显著提高;当风机出口安装倾角为30°的导流板时,散热管束表面局部高温区域消失;当风机出口安装8块导流板时,散热管束表面平均温度最低,凝汽器换热效果最佳.     

自相似结构微通道传热分析及结构优化

随着大型集成芯片等电子设备的释热率不断升高,普通的微通道热沉（MHS）已经很难满足其散热需求。自相似微通道热沉（SSHS）作为一种新的换热结构设计,与一般的微通道热沉（MHS）相比,具有更好的综合性能和应用前景,但SSHS内部依然存在一定的流量分配和换热不均等缺陷。为了克服SSHS自身的缺陷,提高其工作性能,本文将原有的入口分流通道改为减缩式设计,以缓解SSHS原型设计中流量分配不均的缺陷,同时利用数值方法,在分析各结构参数影响基础上,进行了优化设计。鉴于SSHS内每个换热单元结构均相同,计算模型选择了一个完整的换热单元进行模拟分析和参数优化,计算单元包含十个溢流通道、半个入口分流通道与半个出流通道。换热工质为水,单元的流量范围为0.27kg/h~0.9kg/h。工作压力为常压,盖板热负荷为1MW/m2,计算模型为层流模型（Re范围150~500）。数值分析结果表明：对于原型设计,入口分流通道末端存在较强烈的滞止效应,直接导致各溢流通道之间流量分配不均,溢流通道间的流量分配相差9.5-12.9倍,且流量分配不均直接导致换热不均,盖板外壁面的温差达到了10.8-12.1℃。通过将分流通道改为减缩式斜坡结构,可以一定程度上消除滞止效应的影响。经过优化对比分析后发现,随着斜坡角度的增加,流量分配的均匀性和换热均匀性均得到进一步提高,但同时也导致流动阻力有一定的增加。综合考虑后,斜坡角度确定为4.3o时,可以在计算参数范围内使优化结构获得最佳的综合性能。虽然导致系统压降最大有12%左右的增加,但使流量分配从最大相差12.9倍降至最大仅相差2.7倍,平均换热均匀性提高了50%以上。改进和优化后的设计,可以为SSHS的推广应用提供参考和借鉴。     

多孔平板复合换热的理论与实验研究

在高温流动系统中,垂直放入多孔平板可增强辐射换热效应,提高能量的利用率。本文建立了这一对流辐射复合换热系统的理论模型;对不同情况进行了数值计算,并做了实验研究;分析了入口气流温度、风速、板数和板厚等因素的影响;从而确立了这一类问题的计算模型,精确地预测了实验结果。     

流体温度及流速对铝管内石蜡传热性能的影响

分析了铝管外换热流体温度及流速对铝管内石蜡储放热性能的影响,并通过简化石蜡相变模型,反推得到放热过程中液相石蜡区域半径。结果表明:风速越大,储热时间越短,最短的储热时间为1 380 s,属于温度为80℃、风速为3 m/s的情况;在一定温度下,风速越大,管壁温度下降越快,放热时间越短;通过反推液相区半径发现,风速越小,石蜡凝固越慢,放热结束时的液相区越大;最小液相半径出现在空气温度为80℃,风速为1.5 m/s的情况下,其值为4.19 mm。     

基于Abaqus空气压缩机中间冷却器的热场分析

利用Abaqus有限元软件对某空气压缩机中间冷却器建立数值分析模型,并结合流体的基本方程、模型方程和计算流体动力学流固耦合模块对该空气压缩机中间冷却器壳体、折流板及换热管部件的温度场和应变耦合关系进行仿真与分析。结果表明:壳体、折流板及换热管均存在不同程度的应变位移量,在安装和约束部位尤为明显;温度沿气流方向呈下降趋势,且高温压缩气体出口温度与设计温度吻合较好。     

水平管道过冷沸腾换热的非稳态数值计算

为研究循环式冷却系中涉及的过冷沸腾流动传热特性,基于VOF多相流模型和Lee相变模型对一水平管道中的过冷流动沸腾过程进行非稳态数值计算。考虑到沸腾起始点的影响,在Lee模型的基础上引入Bergles提出的沸腾起始点关联式以对其进行修正。从热边界层发展和沸腾阶段的发展两方面分析水平管道过冷沸腾换热过程中的流动换热特性及其波动规律,总结了不同热流密度工况下相关参数的分布关系以及对流换热系数沿流动方向的分布规律。结果表明：热边界层的发展和沸腾不断加剧使得流场的不稳定性增加,加热区域后部对流换热系数的波动幅值是入口附近的2倍;热流密度的增加使得流动和换热参数沿流动方向的变化速度加快,热流密度为250 kW/m²工况下,热边界层发展所影响区域约为150 kW/m²工况下的60%;热边界层的发展使得加热段前部的对流换热系数呈现前高后低的特点。当受热区域热流密度较大时,换热设备可以通过减小换热通道长度的方式,在提升换热效率同时减小沸腾带来的换热系数波动的影响。