太阳能相变炕影响因素分析及热工性能模拟

本文设计了一种太阳能热水供热与相变蓄热组合的热炕供热系统,为提高蓄热炕的热响应,配置了高导热复合相变材料,利用数值模拟对炕体单元进行三维非稳态瞬态传热模拟。通过控制变量法,对太阳能相变蓄热炕的相变材料导热系数、相变温度、相变潜热等炕体热工特性影响因素进行模拟分析,得出:相变材料导热系数、供水温度、相变潜热对相变炕的热响应时间影响显著,且相变潜热决定放热时长,相变温度、相变温度范围对相变炕的垫面温度有明显影响。最后,以十二水磷酸氢二钠复合相变材料作为炕体的蓄热材料,对炕体进行蓄放热模拟设计,发现垫面温度昼间可达到17.1 ℃,夜间可达到30.3 ℃,可以很好地满足居民的热舒适要求。     

相变材料的特点及热物性分析

相变材料(phase change materials, PCMs)是潜热储热技术的核心储热媒介，因此选择合适的PCMs需综合考虑到多种因素，而相变温度、储能密度和导热系数是衡量PCMs适用性的最关键因素.对典型的固-液相变的不同类型PCMs特点进行了归纳和比较，结果证明研究多种高性能兼容的复合材料是PCMs应用的发展方向.通过理论分析得出：在设定工作温差50℃范围内常用PCMs相变潜热≥100 kJ/kg时，单位质量储热密度与PCMs的相变温度不再相关；PCMs的相变温度越高，系统的有效输出温度范围越宽，系统输出越灵活；PCMs的相变潜热越大，系统在有效温度范围变化时释热效率越稳定.因此在50℃工作温差范围内选择相变潜热高、兼顾较高的固液平均比热容和相变温度高的PCMs时系统的输出性能更优越.     

相变材料物性与轻质相变围护结构节能研究进展

针对轻质建筑围护结构材料降低了围护结构热容的问题,采用合理利用相变材料(PCM)的相变潜热的方式,以提高建筑围护结构的热容.阐述了国内外学者对PCM物性特征的研究成果,对比分析了PCM的热性能与传统保温材料的不同之处.同时,研究了目前对轻质PCM建筑构件的节能研究进展与热工评价指标,并基于当地的实际气象条件、室内目标温度、围护结构组成等情况,考虑PCM应具有相匹配的相变温度、相变潜热、导热系数等因素,提出了实际工程中选取PCM的思路,以及如何科学合理地发挥轻质围护结构中PCM的热性能,包括PCM在具有不同配置的墙体中的合理位置与用量等.     

混合石蜡的热物性实验

对低熔点石蜡（十六烷、十八烷）与高熔点石蜡（54#石蜡、62#石蜡）混合物的传热性能进行了实验研究,用以替代价格较高的十八烷,用于立式集热板太阳能热气流电站的蓄热系统中.采用差示扫描量热仪（DSC）对不同质量分数的混合石蜡的相变潜热及相变温度进行了测量,结果表明：随着低熔点石蜡的加入,混合石蜡的相变温度在不断减小,相变潜热介于低熔点石蜡与高熔点石蜡之间;且混合后的石蜡具有良好的循环稳定性.采用热针法对不同质量分数的混合石蜡固态体系、液态体系的导热系数进行了测量,结果表明：混合之后石蜡的导热系数与低熔点石蜡相差不大,石蜡在固态时的导热系数要大于在液态时的导热系数.综合比较可知,混合石蜡可以满足储能需求,并能降低成本.     

脂肪酸二元体系固液相变动力学研究

为有效地控制脂肪酸贮能材料的相变过程,用差示扫描量法(DSC)研究了癸酸(CP)与硬脂酸(SA),月桂酸(LA)与豆蔻酸(MA)、棕榈酸(PA)二元体系的热力学性能,确定了低共熔混合物的组成、相变温度和相变潜热。运用Kissinger方法计算了CP-SA、LA-MA、LA-PA低共熔混合物固液相变过程的活化能及反应级数,结果表明:反应级数为1左右,活化能为199~226 kJ/mol,为脂肪酸、二元体系在民用建筑和调温纺织中应用提供了重要依据。     

相变蓄热材料导热系数对太阳能通风墙性能的影响

通过对相变蓄热型太阳能烟囱模型通风蓄放热变化过程的计算,分析比较不同相变蓄热墙导热系数对太阳能烟囱性能的影响.计算结果表明:吸热板最大表面温度随着相变蓄热墙导热系数的增大越接近相变蓄热墙的相变温度;蓄热阶段,入口平均风速随着相变蓄热墙导热系数的增大而减小;放热阶段,入口平均风速随着相变蓄热墙导热系数的增大反而越大;相变蓄热墙导热系数越大,蓄热型太阳能烟囱系统16 h的累计通风量越高,但在导热系数增大到0.66 W·(m·K)^-1后,再增大材料导热系数,累计通风量几乎不再增加.     

相变材料对砂浆热效应的影响

研究了相变材料状态、掺量对砂浆热效应的影响；系统研究了有机相变材料（某多元醇）嵌入到导热系数较高的二氧化硅纳米层空间内，制备有机-无机纳米复合相变蓄热材料的工艺条件及其效果．结果表明：相变材料直接掺人砂浆中掺量达1％～3％（占砂浆胶凝材料质量分数），具有明显的蓄热降温效应，但在50℃环境下耐久性明显下降；复合相变材料较纯相变材料相变潜热提高1．66倍，50℃环境下耐久性明显提高．     

冰蓄冷技术相关固液相变传热现象的研究进展

列举了与常规冰蓄冷技术相关的传热问题，综述了冰－水固液相变导热控制、导热对流耦合控制下圆管外和球内固液相变传热现象的研究进展情况，以及在冰－水固液相交换热实验研究中所采用的实验方法．     

三羟甲基乙烷、三羟甲基甲胺及其二元体系变温红外光谱的研究

利用变温红外光谱技术对多元醇三羟甲基乙烷（PG）、三羟甲基甲胺（TAM）及其二元体系的固－固相变进行了研究，研究结果表明，在一定温度区间内，变温红外光谱图中伸缩吸收峰的位置、强度、形状均发生了突跃现象，并由此可以验证多元醇及其二元体系固－固相变的机理。     

相变储能材料的相变过程温度模型

基于集总参数法和矩形相变等效比热假设建立了相变材料的相变过程温度模型．该模型与实验结果吻合很好．利用该模型定量研究了环境温度、相变潜热、相变温度范围和换热效率等多种因素对相变行为的影响，初步得出如下结论：环境温度对相变开始时间和持续时间均有明显影响，随着环境温度的升高，该二时间呈指数形式下降；相变材料的潜热对相变开始时间没有影响，对相变持续时间有明显影响，持续时间随潜热线性增加；相变温度范围对相变开始时间也没有影响，而相变持续时间随相变温度范围的增加平缓地增加；相变材料与环境之间的换热效率显著影响相变过程开始和持续的时间，二者随换热效率的提高呈指数形式下降．     

骨料级配对相变沥青混合料性能的影响

相变沥青混合料是一种可以调节沥青混凝土路面温度的新型功能性路面材料,其中,沥青混合料骨料级配对相变沥青混合料的路用性能和调温性能有何影响值得深入研究。本文选择两种复合定型相变材料(CPCM)石蜡/膨胀石墨/高密度聚乙烯(简称为PHDP)和道路温度调节材料(简称为DTC)两种相变材料,首先利用傅里叶红外光谱(FT-IR)试验,对CPCMs与沥青之间的反应进行了定性分析。其次,分别制备级配类型为AC-16与AC-20的相变沥青混合料,通过路用性能试验和调温试验评价不同骨料级配对相变沥青混合料路用性能与调温效果影响影响。结果表明,两种CPCM与沥青之间均为物理反应;相比级配类型AC-16,AC-20可以显著提高含PHDP的相变沥青混合料的路用性能与调温效果,但是对于含DTC的相变沥青混合料的改善效果不显著。     

相变储能大体积混凝土的控温性能

提出相变控温储能材料机敏控制混凝土结构温度裂缝技术途径.在混凝土浇注过程中将相变材料掺入使之与混凝土结构一体化,利用相变材料在特定温度范围的热效应控制混凝土内部温度场,从而机敏控制温度应力防止温度裂缝.通过自行设计的温度测试系统,对相变控温混凝土控温性能进行实测研究,结果表明:相变材料不但可以降低大体积混凝土的最高绝热温升值,而且可以降低大体积混凝土升温速度和降温速度,从根本上防止了大体积混凝土温度裂缝的出现.     

储能建材性质的改善及相变温度的优化

对两组二元相变物质混合物Ｃ２２Ｈ４４Ｏ２＋Ｃ１６Ｈ３４和Ｃ１８Ｈ３８＋Ｃ１６Ｈ３４渗入民用建筑材料基体所形成的储能建材，进行了差热分析（ＤＴＡ），得到了相变温度的变化规律，给储能建材相变温度的优化提供了必要手段．基于节能目标建立了相变温度的寻优数值模型，分析了气候的影响及寻优的效果．对相变物质建材表面的结霜趋势进行了讨论，建议以使用相变物质混合物作为控制结霜的一种主要方法     

含相变储热的喷射式热泵系统模拟与优化研究

为了实现热电解耦,有效提高可再生能源利用率,将相变储热技术应用于热泵系统中,构建含相变储热罐的跨临界CO2喷射式热泵系统。首先,建立储热装置的数学模型,采用Modelica非因果建模语言在Dymola平台对系统储热过程进行模拟,获得相变储热罐的温度分布、瞬时储热量、系统COP等储热特性。同时对比了常规储热水箱、PCM储热罐与PCM-水多级储热罐的理想储热量、设备体积、储热性能等,详细分析相变储热热泵系统的优势,为促进其实际应用提供参考。此外,提出基于模型的单目标与多目标优化策略,采用遗传算法对系统的性能进行优化,得到最优设计参数和运行参数,与优化前相比储热过程的系统COP提高了28.73％,有利于系统的高效运行,为改进和优化系统性能提供了依据。     

泡沫石墨作为相变储能材料填充物的研究

以石蜡为相变材料、泡沫石墨为支撑结构,文章利用泡沫石墨的多孔吸附特性,采用多次真空灌注方法制备了泡沫石墨/石蜡复合相变储热材料。采用Hot Disk热常数分析仪和差示扫描量热分析(DSC)对复合相变储热材料的热性能进行了表征。结果表明,石蜡充分吸附到泡沫石墨的蜂窝状微孔中,泡沫石墨的填充极大地强化了相变材料的导热能力;复合相变储热材料的相变温度与石蜡相似,其相变潜热与基于复合材料中石蜡含量的潜热计算值相当。设计了储能过程实验,并与纯石蜡试件进行了对比;储热性能测试结果表明,复合相变储热材料的储热速率比纯石蜡有了极大的提高。     

相变蓄热球体堆积床传热模型及热性能分析

为提高普适性和预测性,建立了相变蓄热球体堆积床热性能的传热模型,可以对系统多种热性能参数进行计算分析。经验证明模型结果与实验结果较吻合。表明该模型对相变蓄热球体堆积床的结构设计、性能模拟及运行管理可提供理论指导。     

三重同心套管相变传热的数值模拟与实验研究

通过数值模拟与实验,研究了三重同心套管内的相变传热过程。相变材料填充在三重同心套管的夹层内,热流体和冷流体分别在套管外层和内层中流动。根据能量守衡,运用了一种简化数值模拟方法(称为温度热阻叠代法)计算分析了三重同心套管内凝固过程。搭建了实验台,实验验证了数值模拟结果,并得出冷流体的入口温度及流量对释热量的影响规律。     

WOOD/PCM composite with enhanced energy storage density and anisotropic thermal conductivity

Phase change materials (PCMs) have great potential in energy-saving and environmental field due to their high latent heat. The deficiencies that restrict the application of PCMs are their poor thermal conductivity and liquid leakage after phase change. To shoot these problems, a thermally-induced flexible WOOD/PCM composite with enhanced energy storage density and anisotropic thermal conductivity has been proposed. This composite consisted of polyethylene glycol 6000 (PEG6000), delignified balsa wood and boron nitride (BN). The results revealed that the melting enthalpy and freezing enthalpy of WOOD/PEG6000 composite were 209.3 ?J/g and 214.9 ?J/g, which had an augment of about 8% comparing with pure PEG6000. After adding 33 ?wt% BN to the composite, its thermal conductivity in the out-of-plane direction reached 0.96 ?W/(m·K), while the radial thermal conductivity was 0.36 ?W/(m·K). The controllable anisotropic thermal conductivity implies a good application in the environment where forced unidirectional heat dissipation is needed. Furthermore, the composite also shows excellent thermal induced flexibility, such as bending and compression, which is significant in reducing thermal contact resistance with substrates in application. This work indicates that the prepared PCM composite has a great potential application in thermal energy storage and thermal management.     

高温固液相变吸热器研究现状与发展

高温熔盐相变蓄热是空间站太阳能热动力发电系统的关键技术之一,吸热/蓄热器是其关键部件,它的传热性能直接影响到整个动力系统的性能。文中着重从结构设计方面介绍了近年来国内外空间太阳能动力装置吸热/蓄热器的研制情况,概括了研究中存在的主要问题并指明了今后高温固液相变吸热器研究及发展的方向。     

螺旋管式相变蓄热过程的数值模拟与系统优化

对地源热泵供热系统中,利用低谷电蓄能的相变蓄能装置进行研究,以提高供热系统的经济性．在研究中对相变材料蓄热装置结构进行改进,提高了相变材料蓄热能效．利用相变材料能量守恒原理,确定合理的边界条件,对蓄热工况的传热过程进行了三维数值模拟优化．模拟结果显示,当蓄热初始条件相同时,不同装置结构中相变材料发生相变的程度会不同,出现死区的面积也不同;结合相变材料传热特性和过程,通过改进装置结构,采用螺旋管中间连通直管段的圆柱体蓄热装置,改善了蓄热效果,解决了相变材料熔化过程存在死区的问题,相变材料熔化率由原来的72％提高到93％,蓄热总量有了明显提高．同时还对采用低谷电蓄热、高峰用能放热的经济性进行了分析．结果表明采用相变材料蓄热可充分利用谷电,节约运行成本,具有良好的经济性．