碳纤维导热型低温相变材料蓄热电暖器蓄放热性能实验研究

使用膨胀石墨、碳纤维与石蜡研制出复合型相变蓄能材料,利用膨胀石墨、碳纤维作为高导热材料与结构支撑材料;通过物性参数遴选、结构参数优化设计方法,搭建高导热性能的复合相变材料蓄热电暖器实验台;研究不同蓄放热运行工况下该装置的蓄放热性能。研究结果显示,与日间主动式放热工况相比,日间被动式放热工况放热速率衰减较慢,被动式放热工况的最低放热速率比主动式放热工况最低放热速率高24. 7%。该装置可以利用主/被动放热方式调节蓄放热速率,满足不同房间的供热需求。在夜间蓄热、日间放热的运行工况下,该相变蓄热电暖器所在房间温度波动较小,具有较好热舒适性。该蓄热电暖器蓄热效率达67%,能充分利用夜间低谷电蓄热,实现降低运行费用的目的。     

新型生土材料调湿性能及导热性

使用膨胀石墨、碳纤维与石蜡研制出复合型相变蓄能材料,利用膨胀石墨、碳纤维作为高导热材料与结构支撑材料;通过物性参数遴选、结构参数优化设计方法,搭建高导热性能的复合相变材料蓄热电暖器实验台;研究不同蓄放热运行工况下该装置的蓄放热性能。研究结果显示,与日间主动式放热工况相比,日间被动式放热工况放热速率衰减较慢,被动式放热工况的最低放热速率比主动式放热工况最低放热速率高24. 7%。该装置可以利用主/被动放热方式调节蓄放热速率,满足不同房间的供热需求。在夜间蓄热、日间放热的运行工况下,该相变蓄热电暖器所在房间温度波动较小,具有较好热舒适性。该蓄热电暖器蓄热效率达67%,能充分利用夜间低谷电蓄热,实现降低运行费用的目的。     

生活水箱内相变材料封装结构改进及熔化性能研究

针对生活水箱内封装相变材料现有强化换热方法(如添加翅片或膨胀石墨)会导致蓄能密度降低与石墨沉降等问题,提出在不添加外物的基础上,对当前水箱中应用最为广泛的圆柱型封装结构进行优化改进,通过减小其底面/顶面半径比形成侧壁面倾斜的倒圆锥型结构,使得固态相变材料在重力作用下自然沉降时可充分与面积占比较大的侧壁面发生接触熔化,从而实现相变材料熔化性能的提高.为探究倒圆锥型封装相变材料熔化性能,建立相应熔化传热模型,并通过可视化实验进行验证.在该模型的基础上,对倒圆锥型和圆柱型结构封装相变材料的熔化性能进行了对比和分析.结果显示在相同体积(1.74e-04 m3)和高度(0.055 m)下,倒圆锥型结构封装相变材料完全熔化时间为2520 s,与圆柱型结构相比缩短了690 s,熔化性能提高了21.5％.倒圆锥型结构封装相变材料熔化过程中,除接触熔化外液态相变材料的自然对流也对熔化性能有显著影响,且侧壁处形成的Rayleigh-Bernard环流会削弱相变材料接触熔化性能.此外,发现在自然对流与接触熔化共同作用下,正圆锥型结构封装相变材料熔化性能与倒圆锥型结构相比更强,提高了16.7％.在实际应用中可将正圆锥与倒圆锥型封装结构结合使用,在有效利用空间的基础上实现蓄热量和蓄热效率的同时提高.     

翅片管外相变材料熔化过程的数值模拟

相变材料的低导热性阻碍了相变蓄热设备的传热过程.采用翅片管是目前提升相变蓄热器传热速率的主要方法.使用Fluent软件中的Solidification/Melting模型对翅片管外相变材料熔化过程进行数值模拟,得到固-液相界面随时间的变化.通过改变翅片的厚度、翅片间距等参数,分析了不同的翅片参数对熔化时间的影响.结果表明:翅片的导热系数对蓄热时间影响较小;在一定范围内增加翅片的厚度可以强化相变储热过程,之后继续加厚翅片对蓄热时间影响不大;翅片间距对蓄热时间影响显著,缩小间距能大幅度缩短蓄热时间.     

相变蓄热装置传热模型的建立

提出了一种采用新型相变材料的内通流体并联螺旋盘管相变蓄热装置,针对所设计相变蓄热式装置的传热特点,在对其传热过程进行合理简化的基础上,提出了相应的相变换热的二维非稳态焓法模型,并对传热基本控制方程进行了空间和时间上的离散化,从而提出了内通流体相变蓄热装置的数值模拟方法。     

太阳能热发电用高温相变蓄热器的数值模拟

对采用单级相变材料(PCM)蓄热的太阳能热发电用高温相变蓄热器的蓄热过程进行了数值模拟。得到了采用单级蓄热时熔化过程中PCM温度和液相率随时间的变化曲线及不同时刻液相率的分布云图。通过对曲线和云图的分析,在保证蓄热量的前提下,提出了采用3种PCM级联蓄热的高温相变蓄热器的设计方案,并对其蓄热性能进行了模拟。结果表明,采用级联蓄热的方案减小了蓄热的总时间,且有效地降低了单级蓄热末期"死区"对蓄热性能的影响,使PCM的液相率分布更加均匀,为太阳能热发电用高温相变蓄热器的优化设计提供了理论依据。     

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。     

内翅式太阳能球形胶囊传热特性研究

采用Fluent软件对球形胶囊蓄热单元进行了传热特性分析;并使用恒温水浴锅加热蓄热单元来模拟恒温加热环境,对球形胶囊内翅片的熔化过程进行实验验证。获得了球形胶囊内部监测点的温度时间曲线。将模拟结果和实验结果进行对比,得到较好的一致性,验证了胶囊内相变材料的熔化模型的准确性。根据模拟与实验的结果优化蓄热单元,以带有内翅片的球形胶囊蓄热单元为研究对象,将KNO3作为相变材料,对翅片同厚度(1.5 mm)、不同翅片长度(0 mm、58.5 mm、68.5 mm、73 mm)的蓄热单元建立四个模型。结果表明,胶囊内添加翅片增大传热效率,且随着翅片长度的增大,胶囊内温度分布均匀化;对球形胶囊内翅片传热分析具有指导意义。     

泡沫金属/翅片填充管蓄热性能的实验研究

为了研究蓄热装置内填充复合相变材料后的蓄热性能,设计了一种填充通孔泡沫金属和环形翅片的圆柱形蓄热罐,搭建了固液相变储热实验系统,并基于此系统对其熔化过程进行了实验研究、记录了相变材料内的实时温度响应数据。研究结果表明,与泡沫金属管相比,泡沫金属/翅片管加速了石蜡的熔化过程,缩短了整体相变时间;在实验工况下,完全熔化时间减少16.7%;然而,翅片的加入会加速顶部石蜡的熔化,但会抑制底部石蜡的熔化,使得石蜡内部不同高度间的温差扩大、温度均匀性降低;此外,通过提高流量可以显著增强装置的蓄热响应速度,提高最终稳定温度。     

泡沫金属/翅片填充管蓄热性能的实验研究

为了研究蓄热装置内填充复合相变材料后的蓄热性能,设计了一种填充通孔泡沫金属和环形翅片的圆柱形蓄热罐,搭建了固液相变储热实验系统,并基于此系统对其熔化过程进行了实验研究、记录了相变材料内的实时温度响应数据。研究结果表明,与泡沫金属管相比,泡沫金属/翅片管加速了石蜡的熔化过程,缩短了整体相变时间;在实验工况下,完全熔化时间减少16.7%;然而,翅片的加入会加速顶部石蜡的熔化,但会抑制底部石蜡的熔化,使得石蜡内部不同高度间的温差扩大、温度均匀性降低;此外,通过提高流量可以显著增强装置的蓄热响应速度,提高最终稳定温度。     

带相变储能的太阳能热水系统分析

提出相变材料(PCM)+水的太阳能联合储能方案,将其应用于24 h供热水的传统太阳能加电辅热热水系统中,建立PCM+水联合储能的数学模型。将该系统应用于昆明地区的情况进行全年模拟分析,对比有无PCM时储热水箱中水温的变化、热损失及电辅热耗电量。结果表明PCM联合储能的热水系统,储热水箱中水温波动小;即加入PCM联合储能对水箱中水温有"削峰填谷"的作用,热损失和电辅热耗电量均减小,全年节电率达17.7%。分析了相变温度与PCM体积比(PCM体积与水体积之比)对水箱储能性能的影响,给出了水箱储热性能随相变温度和相PCM体积比变化的规律及其选取范围。     

高孔隙率泡沫金属对相变蓄热的强化研究

在相变材料中填充高孔隙率泡沫金属能有效改善相变材料的传热性能。主要研究了填充高孔隙率泡沫铝后对石蜡导热系数的影响,利用Fluent及其前处理软件Gambit建立模型,并模拟结果。结果显示加入泡沫铝能使温度分布均匀,缩短相变时间,提高储热效率。     

基于除霜的相变蓄热器对空气源热泵性能的影响

针对空气源热泵蓄能除霜系统,提出了串联供热、非连通供热和连通供热3种供热模式,并实验研究了3种供热模式下相变蓄热器对空气源热泵性能的影响分析实验数据发现非连通供热模式和串联供热模式相比系统主要参数（压缩机吸排气温度和压力）除排气温度升高5℃,其他基本无变化．连通供热模式的吸排气温度和串联供热模式相比分别升高了15℃和30℃,排气压力降低了0．2MPa．3种供热模式中串联供热模式的性能系数（EER）最高,连通供热模式和非连通供热模式性能系数因参与运行的制冷剂减少而有所降低,连通供热模式的系统性能系数具有较大的提高潜力。     

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。     

相变材料对家用水箱性能的影响及相变层厚度优化

基于相变蓄热水箱的发展现状,结合家用生活热水系统相关设计规范及标准,对相变水箱的结构进行了设计,并采用有限元软件对相变水箱的性能进行了模拟研究.首先建立了相变水箱的数值计算模型并利用实验数据验证模型的准确性;在此基础上,通过蓄放热阶段水温响应特性、相变材料温度及液相比等参数,对相变水箱的蓄放热特性进行了研究;另外,比较分析了不同相变层厚度参数对相变水箱蓄放热过程的影响,并对相变材料的用量进行了优化.结果表明,对于家用水箱,增设相变材料层可以延长水箱蓄热过程;在水箱放热过程中,放热时间随着相变层厚度的增加呈现先延长后缩短的变化趋势;与其他相变厚度的模拟工况相比,相变层厚度为30 mm时,水箱的释热性能最佳,放热时间较普通水箱增加10％左右,且维持水温处于较高温度的时间有所延长.可见相变材料的蓄放热特性直接影响着家用水箱的性能,寻求相变材料的最优用量可为相变水箱的设计及实际应用提供参考.     

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。     

相变蓄能材料在建筑节能中的应用

相变材料可以与传统建材复合成具有蓄热和调温功能的新型建筑材料。本文结合相变蓄能材料的性质、优点,把相变蓄能材料划分为三类,分析了其在节能建筑中的应用,并提出了以后应注意的问题。     

谷电相变电蓄热供暖分工况变论域模糊比例、积分、微分自适应前馈补偿控制

针对谷电相变电蓄热供暖系统,有谷电时间段既蓄热又放热供暖和非谷电时间段单纯放热供暖两种不同的工况,不同的工况系统参数变化较大的问题,设计了分工况变论域模糊比例、积分、微分(PID)控制器,根据不同工况选择对应的控制器且其论域伸缩因子自适应调整;考虑到供暖过程中蓄热炉炉温的变化,把不断变化的蓄热炉炉温作为可测干扰,设计了自适应前馈补偿控制器对变论域模糊PID控制器的输出控制量进行补偿,通过实时辨识供暖系统模型,实现前馈补偿控制器参数的自适应调整。实验结果表明:所提出的控制方法能够在不同工况下实现对期望供暖出水温度的实时跟踪,显著地减小了供暖出水温度误差,提高了供暖可靠性。     

微重力条件下列管相变蓄热器的传热特性研究及拓扑优化

基于相变蓄热器在航天航空领域的应用，对列管式蓄热器建立物理模型和数学模型，采用数值模拟研究其在不同重力及雷诺数下的传热特性，此外引入基于变密度法的拓扑优化方法对蓄热器进行结构优化，设计出一种不等长拓扑肋片模型，并对比研究各因素对相变材料熔化速度的影响。研究结果表明，相同雷诺数时微重力条件下相变材料的熔化速度相比于有重力条件下的较慢，不同雷诺数时微重力条件下的熔化速度比有重力条件下的熔化速度分别减小了82.7%,86.1%,90.1%。但在微重力条件下，增大雷诺数已不足以有效提升相变材料的熔化速度。与无肋片管相比，经拓扑优化所得肋片模型的强化换热效果明显，在微重力条件下其相变材料熔化时间相比于无肋片管熔化时间缩短了47.83%，表明所设计的拓扑优化肋片模型可有效地减小微重力对蓄/放热速率的影响。