泡沫铜对相变蓄热系统蓄热性能影响的实验研究

石蜡作为一种有机固液相变材料,因其具有高潜热值、无毒、无腐蚀、性能稳定等优点被广泛应用于热蓄存、电子冷却及建筑温控等领域。但在蓄热过程中,因石蜡导热系数较低,导致蓄热时间过长、温差过大。实验按照1∶3的比例将泡沫金属铜均匀分布在石蜡箱体中,探究泡沫铜对石蜡相变速率的影响。结果显示:加入泡沫铜后,有效地提升了石蜡的相变速率,缩短了石蜡相变的时间;同时加入泡沫铜后,石蜡内部温差明显减小,温度分布更加均匀,并且有效缓解了自然对流造成的顶部过热和底部不熔化现象。     

泡沫铁/石蜡复合相变储能材料放热过程及其热量传递规律CSCD

石蜡作为相变储能材料具有储能密度大的优势,但其导热率较低。以石蜡作为相变储能材料、金属泡沫铁作为导热增强材料,通过对泡沫铁/石蜡复合相变储能材料的制备及其放热过程测试,探究了两种厚度金属泡沫铁对石蜡放热过程的强化作用和传热过程。结果表明,泡沫铁能缩短石蜡放热时间,提高放热效率。相比对照组,厚10 mm和15 mm的泡沫铁/石蜡复合相变储能材料相变时间分别缩短了1/3和1/4,相变放热密度分别减小了1.60%和3.26%,两者的相变放热速率是相应对照组的1.44和1.27倍。同时,还对15 mm泡沫铁/石蜡复合相变储能材料放热过程中,对流换热系数与相变时间和材料温度的关系分别进行了模拟,得到相应的理论公式,该公式所求得的模拟值与实际值较接近,可用于预测不同放热时间或材料温度下复合相变储能材料的换热能力。     

高孔隙率泡沫金属相变材料储能、传热特性

以高孔隙率泡沫金属材料作为骨架制备而成的新型复合相变储能材料的导热系数将大大高于相变材料本身的导热系数,在储能过程中具有更好的传热效果。给出了较通用的高孔隙率泡沫金属材料等效导热系数的估算公式,并利用准稳态方法建立了复合相变材料在凝固过程的数值模型,对其凝固过程的传热特性进行了理论分析。以铝—石蜡和铜—石蜡复合材料作为研究对象。分析表明,采用复合储能材料可以使得其传热性能得到很大提高,但是也会使复合材料的储能能力有所降低。提出了一种平衡储能能力和传热性能的方法,当泡沫金属处于平衡孔隙率时,在传热性能得到极大提高的同时也使得其储能能力降低不多。同时,分析得到了外部换热环境对储能能力、传热性能以及平衡孔隙率的影响,即较大的对流换热时,若要取得适当的储能能力和传热性能,则需要较小的孔隙率。     

泡沫铜强化石蜡相变蓄热特性的数值分析

通过构建泡沫金属内固液相变传热模型,对方腔蓄热单元中泡沫铜强化石蜡相变蓄热特性进行数值分析。数值模型采用考虑泡沫金属真实结构的等效导热系数通用模型,并兼顾石蜡在融化前后与金属骨架之间的热非平衡效应。通过求解模型得到方腔内石蜡固液界面演化规律与温度分布,进而对蓄热过程进行火用分析。结果表明:当前数值模型能较好地预测泡沫铜内固液相变传热;泡沫铜显著改善了石蜡相变的空间均匀性,减小了蓄热区温度梯度,使蓄热速率和火用效率得到有效提高。     

TPS法测定泡沫铜/石蜡复合相变材料热物性

运用瞬态平面热源法(Transient Plane Source-TPS)对4种孔隙率的泡沫铜/石蜡复合材料热物性进行了测量。以10μm厚的镍金属按双螺旋线布置作为测量探头。泡沫铜材料孔隙率分别为ε=97.79%、ε=96.17%、ε=94.94%和ε=93.26%,经线切割加工后向内灌入液态石蜡,凝固后作为测试样品。在室温(25±1℃)和常压下对复合材料的等效导热系数、热容及热扩散率进行了测量。测试结果表明:复合材料导热系数和热扩散率因泡沫铜的加入而大幅提高,在孔隙率ε=93.26%时,等效导热系数已达到单纯石蜡的25倍,而复合材料等效热容则由于铜金属加入的绝对量较少相对原石蜡热容变化较小。以比例加成的方法对泡沫铜/石蜡复合材料的等效热容进行了计算,并利用实验数据拟合了其等效导热系数的计算公式,运用这些公式对复合材料物性的计算结果与实验结果非常吻合。     

Paraffin based composite phase change materials for thermal energy storage: Thermal conductivity enhancement

为提高石蜡作为固-液相变储热材料的导热性能,在石蜡(PW)中掺加高导热系数的碳纳米管(CNTs),制备了碳纳米管-石蜡复合相变材料(PW-CNTs).为进一步增强PW-CNTs的传热性能,通过内置金属网结构,利用金属网的高导热性,加快PW-CNTs作为相变材料的充放热速率.测试了PW-CNTs的熔点和相变潜热,导热系数以及置入金属网前后的充放热时间.结果显示,PW-CNTs的导热系数较石蜡得到显著提高,其中掺加10%(质量分数)CNTs的复合材料的固态,液态导热系数平均分别提高31.4%,40.2%.置入金属网结构后,PW-CNTs的充放热时间至少分别缩短了40.3%和30.2%.此外,碳纳米管在石蜡中易发生团聚沉积,针对这一特点,对PW-CNTs进行了多次热循环,研究了热循环对PW-CNTs导热系数的影响.     

复合相变材料调控机理与强化换热的实验研究

为获取相变温度、潜热和导热性都比较合适的相变材料,本文使用高熔点的固态石蜡(熔点为70℃)和低熔点的液态石蜡(熔点为5℃)按照不同比例进行配比实验,来获得不同相变范围的相变材料,以适应实际应用的要求。制备了五种复合相变材料样品,使用差式扫描量热仪(DSC)测试其参数。并选用孔隙率均为95%,孔隙密度(pores per inch, ppi)分别为15,30和50 ppi的三种泡沫铜,采用熔融浸渍法将石蜡填充其中制备复合相变材料,进而探究泡沫铜对石蜡强化换热的效果。实验结果显示比例为A1(20%5℃+80%70℃)、A2(35%5℃+60%70℃)和A5(80%5℃+20%35℃)时只有一个熔化峰,其起始点分别为56.6℃,53.2℃和3.7℃,表明通过物理方法将两种石蜡混合可以调控复合相变材料的熔点与潜热。热导率测试结果表明当孔隙率为95%孔隙密度分别为15,30和50 ppi时泡沫铜可以提高石蜡导热率3-7倍。     

低温相变储能单元强化传热特性实验

以石蜡为相变储能材料,开孔泡沫铜为强化传热介质,针对该文研制开发的模块式低温相变储能装置,搭建测试强化传热后的新型矩形腔体-内插U型管储能单元实验平台,实验研究不同热源温度与不同环境温度对储能散热过程与单元性能的影响。结果表明加入泡沫铜后的储能单元内部温差明显减小,温度分布均匀。储能单元换热量显著增大,缩短了储散热时间。在较低热源温度与较高环境温度下,添加泡沫铜对储能单元的储散热更具有优化效果,相对优化率分别达到47.5%和8.3%。     

Influence of 2-D nanofillers on the thermal conductivity of composite PCMs

为了探究两种不同二维纳米填料对复合相变材料导热系数的影响,分别制备了以石墨烯纳米片和六方氮化硼纳米片为填料的石蜡基复合相变材料.采用瞬态平面热源法在20 ℃时测量了不同添加量下复合相变材料的导热系数.结果显示,石蜡基复合相变材料的导热系数随纳米填料添加量近似线性增长;六方氮化硼纳米片对复合相变材料导热系数的提升远低于石墨烯纳米片.此外,利用基于有效介质模型的预测公式与试验值进行了比较,计算发现形状,大小和导热系数相近的两种纳米材料,六方氮化硼纳米片的界面热阻却高出石墨烯纳米片两个数量级,是后者具有更显著强化效果的原因之一.     

纳米金属/石蜡复合相变蓄热材料的实验研究

以石蜡为相变材料基体、纳米金属铜、镍、铝、铁和锌为导热增强剂、油酸为分散剂,采用超声波震荡法制备纳米金属/石蜡复合相变蓄热材料体系。通过复合蓄热体系的步冷曲线分析,结果显示纳米铁为有效导热增强剂。对不同质量分数纳米铁/石蜡复合相变蓄热体系进行DSC和导热系数测试分析,结果表明:随着纳米铁质量分数的增加,复合材料的导热系数逐渐增大,相变潜热值逐渐降低,相变温度变化不大;纳米铁质量分数为0.1%时,复合材料的固态导热系数可增大2.8倍,相变潜热值下降1.1%。