孔隙分布对分形泡沫金属基相变材料传热特性的影响

基于分形理论,采用Sierpinski分形结构来模拟分形泡沫金属的孔隙结构。以泡沫金属为基体,孔隙中填充相变材料,通过数值计算比较了相同孔隙率和分形维数但不同孔隙结构分布规律的泡沫金属基相变材料在恒热流边界条件下的传热特性差异,得到了在传热过程中相变材料的相变率随时间变化及其相场分布情况云图。结果表明：当泡沫金属存在开口孔且所在位置处于热流边界时,孔隙中相变材料的传热速率明显大于不存在任何孔隙处于热流边界的情况;当泡沫金属不存在孔隙处于热流边界时,随着泡沫金属比表面积的增大,孔隙中相变材料传热速率增大;且分形体的分形级数越高,孔隙分布规律对其传热性能的影响程度越大。     

泡沫金属复合相变材料的制备与性能分析

利用泡沫金属多孔结构的吸附性能,以八水氢氧化钡为相变材料,泡沫铜为基体,制备了结晶水合盐/泡沫金属复合相变材料。采用差示扫描量热法测定了八水氢氧化钡的热循环性能,随着热循环次数的增加,相变材料的相变温度基本不变,相变潜热略有减少,八水氢氧化钡具有较好的热稳定性。搭建了相变储能实验台,实验分析了3组不同实验方案,结果表明,填充泡沫铜不仅增强了相变材料的传热速率,而且有效地降低了八水氢氧化钡的过冷度。当泡沫金属使用较大孔密度后,结晶水合盐的过冷问题得到了比较明显的改善。     

纳米颗粒强化传热的多级潜热储热器性能评价

利用潜热储热(latent heat thermal energy storage,LHTES)系统能够缓解能源供需不匹配的问题。本文设计一种垂直管壳式LHTES储热单元，多级填充熔点为35℃、42℃和50℃的相变材料(phase change material,PCM),Al2O3纳米颗粒分别添加至PCM和换热流体中强化传热。对比多级与单级LHTES储热单元的储热及储(火用)性能；提出考虑复合PCM体积和储热时间的储热储(火用)密度评价标准，分析不同纳米颗粒体积分数(1%、3%、5%、7%、9%、11%)对多级储热单元性能的影响。结果表明：相同工况下，相较于单级填充熔点50℃复合PCM的储热单元，多级复合PCM的使用可将储热时间缩短29.81%，且多级储热单元同时表现出较高的储热量和储(火用)量；纳米颗粒体积分数从1%增加至11%时，多级储热单元的储热速率提高21.31%，储热密度增大15.61%，而储(火用)密度在体积分数为7%时达到最大值3086J/(m³·s)后逐渐降低。综合考虑复合PCM体积、储热时间以及总储热和储(火用)量，填充纳米颗粒体积分数为7%的...     

相变储热的传热强化技术研究进展

相变储热技术具有储热密度大、相变温度稳定以及过程容易控制等优点,具有广泛应用前景。相变储热技术在应用中需完成热能的储存与释放过程,其传热特性直接决定应用效果。储热技术的传热强化主要包括三个方面：一是相变材料本身的导热强化;二是潜热型功能热流体的对流传热强化;三是储热器的传热强化。本文综述了国内外在相变储热技术的传热强化研究方面的进展,主要介绍了膨胀石墨、泡沫金属等复合相变材料的导热强化,相变微胶囊及相变微、纳米乳液潜热型功能热流体传热强化以及管壳式储热器、板式储热器、螺旋盘管储热器等储热器的传热强化。文章指出,膨胀石墨基复合相变材料具有高热导率、大储热密度以及良好的定型特性,且价格低廉,极具应用前景。纳米乳液功能热流体具有表观比热容大、流阻较小等优势,但存在稳定性较差、过冷度大等问题。板式储热器具有较大的传热面积、较高的传热功率,适宜应用于相变材料传热系统。但应用背景不同,针对不同场景提供不同储热器的选型及指导值得作进一步的研究。     

相变储热技术的研究现状及应用

相变储热具有储能密度高和储热期间温度变化小等优点成为目前研究的热点。简述了相变材料的类型、性能特点以及选取要求。针对相变材料低导热系数导致的储热系统蓄/放热速率较慢的问题,从提高导热系数、拓展传热面积、提高传热均匀性、系统热力学分析和添加热管五个方面对相变材料强化传热方法进行综述,可为设计者在PCM选择以及匹配强化传热方法时提供参考。最后,回顾了相变储热技术在不同领域的应用。     

多孔泡沫金属强化池沸腾换热的研究进展

综述了近年来多孔泡沫金属强化池沸腾换热的实验研究,从多孔泡沫金属的材料、厚度、孔密度、孔隙率及泡沫金属复合槽道对强化传热性能的影响进行总结,并对多孔泡沫金属强化沸腾换热的研究方向进行展望。     

增强相变材料传热性能的研究进展

综述了相变材料(PCM)通过金属(铜、镍、铝)、碳基(碳、石墨和膨胀石墨)及纳米颗粒多孔材料/泡沫来增强传热性能的研究概况。总结了孔隙度和孔隙密度对传热、导热系数、比热、潜热和充放电时间的影响。通过多孔材料/泡沫材料改性PCM可以有效地使传热/导热系数提高3～500倍。最后,对相变材料传热技术的发展做出展望。     

肋片和多孔介质强化梯级相变储热系统性能的对比研究

针对于相变材料（PCM）导热性能差引起的梯级相变储热系统传热速率低的问题,利用三维数值仿真研究肋片和多孔介质对梯级相变储能系统放热性能的强化作用,在此基础上提出了梯度孔隙率进一步提升系统的放热性能,从PCM的放热速率和放热效率两个方面对梯级相变储能系统的不同强化方法进行了分析对比。结果表明肋片在显热放热阶段强化传热作用更显著,而多孔介质在潜热放热阶段强化传热更显著。整个放热过程只加入多孔介质比只加入肋片表现出更好的放热性能。同时添加肋片和多孔介质时,梯级相变系统放热性能最优,PCM完全凝固时间减少了40%。三种孔隙率梯度工况下,系统的放热效率无明显差异,但在负梯度孔隙率情况下,放热速率更高且更均匀。相比于正梯度孔隙率的情况,负梯度孔隙率具有更优的热性能。     

肋片和多孔介质强化梯级相变储热系统性能的对比研究

针对于相变材料（PCM）导热性能差引起的梯级相变储热系统传热速率低的问题,利用三维数值仿真研究肋片和多孔介质对梯级相变储能系统放热性能的强化作用,在此基础上提出了梯度孔隙率进一步提升系统的放热性能,从PCM的放热速率和放热效率两个方面对梯级相变储能系统的不同强化方法进行了分析对比。结果表明肋片在显热放热阶段强化传热作用更显著,而多孔介质在潜热放热阶段强化传热更显著。整个放热过程只加入多孔介质比只加入肋片表现出更好的放热性能。同时添加肋片和多孔介质时,梯级相变系统放热性能最优,PCM完全凝固时间减少了40%。三种孔隙率梯度工况下,系统的放热效率无明显差异,但在负梯度孔隙率情况下,放热速率更高且更均匀。相比于正梯度孔隙率的情况,负梯度孔隙率具有更优的热性能。     

碳纳米管/石蜡复合相变材料热性能的实验研究

以石蜡为相变材料基液,分别添加不同体积分数的碳纳米管,通过两步法制备碳纳米管/石蜡复合相变材料,并对复合相变材料的热物性参数和相变性能进行了测试和表征。搭建试验台对复合相变材料进行蓄放热实验。结果表明,复合相变材料的相变温度与纯石蜡基本一致,相变潜热随纳米颗粒的添加量增大而减小;复合相变材料的凝固强化效果随碳纳米管添加量的增大而增强,添加量为体积分数2%时,凝固速率可以提升16.3%;对于熔化过程,导热和对流换热共同作用着复合相变材料的熔化速率能否被强化。     

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。     

高孔密度下泡沫铜的填充率对石蜡融化传热机理的影响

基于石蜡和高孔密度的泡沫铜制备了复合相变蓄热材料,设计并搭建了一套可视化蓄热实验装置,分析了高孔密度下泡沫铜填充率对石蜡相变过程的强化传热机理,得到了复合相变蓄热材料的综合传热系数。实验结果表明,当泡沫铜填充率为0、0.43%、1.29%和2.15%时,复合相变材料的综合传热系数先减小后增大,分别为1.26W/(m·K)、1.18W/(m·K)、1.44W/(m·K)和1.88W/(m·K),因此随着泡沫铜填充率的增加,复合相变材料的融化时间先增长后缩短。此外,随着泡沫铜填充率从0.43%增至2.15%,复合相变材料融化时传热机制中导热占比从17.26%上升到86.01%,自然对流占比从82.74%下降到13.99%。     

泡沫金属在熔盐相变蓄热中的强化传热特性

搭建了熔盐蓄热特性实验平台,开展相变蓄热过程传热特性实验研究。建立了蓄热容器二维轴对称、瞬态固液相变数学模型,相变过程模拟采用Solidfication & melting模型,相变区域采用Boussinesq近似,对比了纯硝酸盐蓄热工况和填加泡沫金属后蓄热工况数值模拟结果。采用实验与数值模拟相结合的方法,重点分析了泡沫金属对熔盐蓄热过程的强化传热作用。结果表明,填加泡沫金属能够有效提高熔盐换热速率,泡沫金属孔隙率越小强化蓄热效果越显著。泡沫铜的热导率较高,相对于泡沫镍和泡沫铝有更好的强化传热效果,蓄热速率是纯硝酸盐蓄热的1.6倍。在相变蓄热后期自然对流换热占主导地位,此时泡沫金属会抑制自然对流。同时,填加的泡沫金属越靠近容器中心位置,对自然对流抑制作用越强,蓄热性能越差。     

环形管填充金属泡沫强化相变蓄热可视化实验

针对管壳式相变蓄热器中换热基本单元——换热管开展了强化换热研究，通过在相变材料侧添加金属泡沫以强化蓄热。为了探索金属泡沫对相变蓄热过程强化的效果，设计搭建了相界面可视化的相变蓄热实验台，采用高清摄像机记录换热管内外侧相界面变化过程；通过在径向和轴向布置热电偶以获取相变过程的实时温度响应。测量了流速0.15 m·s^-1下光管和金属泡沫管的蓄热过程，实验结果表明：在相同实验条件（初温、入口流量/温度）下，添加金属泡沫能明显提高蓄热效率，达到相同蓄热效果下纯石蜡管所需时间是金属泡沫管的2.9倍；添加金属泡沫后各测点的温度响应速率均高于对照组，各测试点的温差更小且变化更均匀。     

蓄冰球中填充泡沫铝的融化相变传热过程的数值模拟

建立了蓄冰球中填充泡沫铝的融化相变过程自然对流模型,模型中考虑了固相与液相密度差和自然对流的影响。数值模拟了以铝为骨架、冰为填充相的单个冰球的二维融化过程,得到了在第三类边界条件下蓄冰球融化过程的温度场和相界面移动规律,并与只填充纯冰的蓄冰球传热过程进行比较,同时分析了泡沫铝的孔隙率对融化时间的影响。     

多孔泡沫金属中等温竖壁面空气自然对流传热的积分解

应用边界层理论和局部热平衡传热模型,建立控制方程组,理论分析了多孔泡沫金属中等温竖壁面空气自然对流的传热特性。采用数量级分析法简化控制方程组,再进行积分求解。结果表明：多孔泡沫金属对自然对流具有强烈的扰动作用,使边界层发展很快,其厚度远大于光壁面时的边界层厚度,在等温竖壁面条件下本文所选的参数范围内(孔隙率0.9～0.95,孔密度5～40PPI),孔隙率越大、PPI越大,边界层也越厚;空气流速很快达到最大值,且此后的速度峰值几乎维持不变;自然对流传热的强化效果非常明显,相比光壁面,加入孔隙率0.9、孔密度5 PPI的多孔泡沫铝后其强化倍数达9以上,但孔隙率、孔密度增大时,流体边界层厚度增长过快,会使得传热恶化。     

高孔隙率泡沫铜强化相变材料熔化特性

为了研究纯石蜡与泡沫铜/石蜡相变复合材料吸热熔化性能的不同,探究泡沫铜对石蜡熔化换热过程的影响,本文对纯石蜡和孔隙率为0.98的高孔隙率泡沫铜/石蜡复合材料的相变熔化过程进行了可视化实验研究,并数值模拟分析了纯石蜡及泡沫铜/石蜡复合材料熔化过程。结果表明：复合材料与纯石蜡的液相率变化出现交点,即临界液相率值,此时复合材料具有的液相占比与纯石蜡液相占比相同;泡沫铜的填充能明显改善纯石蜡传热系数低的问题,加快相变材料的整体熔化速率,当热通量为1200W/m2时,孔隙率为0.98的泡沫铜填充使纯石蜡完全熔化时间缩短了约12.5%,并使整体温度分布更均匀,改善热分层现象,且复合材料最大温差比纯石蜡最大温差低约27.5K。     

开孔泡沫铝内石蜡融化相变过程的可视化实验研究

采用光学显微与红外热成像技术对开孔泡沫铝内石蜡的融化相变过程进行了可视化实验,更加直观地考察泡沫铝强化石蜡传热性能,并重点分析泡沫金属微观孔隙结构下石蜡融化界面演化、融化液相流体流动及温度分布特征。研究结果表明：相变材料中填充泡沫金属可有效降低导热热阻、强化相变传热;与纯石蜡系统相比,石蜡/泡沫铝复合材料系统温度分布更加均匀,具有更好的热响应性能。与纯石蜡系统存在明显的融化前沿界面相比,石蜡/泡沫铝复合系统中融化区与非融化区交错分布,融化界面相对模糊。此外,实验还观测到泡沫铝内石蜡融化液相中存在大量片絮状悬浮物现象。     

Preparation of erythritol–graphite foam phase change composite with enhanced thermal conductivity for thermal energy storage applications

Three-dimensional interconnected graphite composite foam as a heat conductive matrix was fabricated by using low cost polymeric precursors and polyurethane (PU) foam as carbon source and sacrificial macroporous template, respectively. Erythritol–graphite foam as a stable composite phase change material (PCM) was obtained by incipient wetness impregnation method. The thermophysical properties such as thermal diffusivity, specific heat, thermal conductivity and latent heat of the erythritol–graphite composite foam were measured. From the results, it was found that the thermal conductivity of the erythritol–graphite composite foam (3.77 W/mK) was enhanced 5 times as compared with that of pristine erythritol (0.72 W/mK). This enhancement can significantly reduce the charging and discharging times of the PCM storage system. There is no chemical reaction between erythritol and graphite as confirmed by X-ray diffractometer (XRD). The PCM/foam composite has a melting point of 118 °C and latent heat of 251 J/g which corresponds to the mass percentage (75 wt.%) of the erythritol within the composite foam. The obtained results confirmed the feasibility of using erythritol–graphite foam as a new phase change composite for thermal energy storage (TES) applications, thus it can contribute to the efficient utilization and recovery of solar heat or industrial waste heat.