填充金属泡沫铜对相变材料在半圆柱容腔中传热机理的研究

为研究不同金属泡沫铜填充率下金属泡沫铜对石蜡融化过程的传热规律，设计并搭建了一套可视化蓄能实验装置，并建立了对应的数学传热模型，分析了不同填充率下复合相变材料在融化过程中温度分布、固液相界面、速度矢量、液相分数和平均Nu的变化，得到了不同填充率下金属泡沫铜对石蜡相变过程的强化传热机理，并进行了实验验证。结果表明：当金属泡沫铜的填充率从0增大至1.28%时，复合相变蓄热材料的融化时间从901 s缩短至830 s,较纯石蜡减少了7.88%,而当泡沫铜填充率为1.28%时，石蜡内部温度为12.6 K,梯度最小；平均Nu从24.89下降到3.27,下降了86.9%。由模拟结果可得，填充率为0.43%、1.28%的复合相变材料液化速率较纯石蜡分别提高了1.61%、7.11%,这说明金属泡沫铜的填充率越大，强化传热效果越好。     

散热器供暖相变蓄热材料的性能实验

针对相变蓄热应用于散热器供暖存在的问题,开展以石蜡为相变蓄热基体,以膨胀石墨为强化传热载体的复合相变蓄热材料性能的实验研究.制备石蜡/膨胀石墨复合相变材料时,以相变温度64℃的石蜡为基体,加入膨胀石墨强化传热性能.实验研究表明:质量分数为3.0%的50目膨胀石墨蠕虫可以有效提高材料热导率;在相变蓄热水箱中,加入质量分数为3.0%的50目膨胀石墨蠕虫后,相变材料蓄放热时间缩短了50%;质量分数为3.0%的50目膨胀石墨试样的相变潜热值为203.1 J·g~(-1).     

自然对流对套管式相变蓄热器蓄热性能的影响

针对蓄热器内相变材料融化、相变区域自然对流换热过程中蓄热效率不确定问题,以套管式相变蓄热器为基本结构,以添加质量分数为10%膨胀石墨的石蜡作为相变蓄热材料,采用数值模拟的方法研究由重力引起的自然对流对相变蓄热器蓄热性能的影响。结果表明,固液相密度差引起的自然对流对相变蓄热过程有明显的促进作用,数值模拟过程中,考虑与不考虑自然对流时,蓄热器的蓄热时间相差近2倍;不同区域相变材料受自然对流的影响不同,在相变材料融化前期,套管上方由于液相自然对流的影响,融化速率更快。根据蓄热器融化速率和融化状态的特点,通过传热过程理论分析,将融化过程进行分段,可以更加深入地了解蓄热器蓄热过程的机理和规律,为优化蓄热器结构提供理论依据。     

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。     

自然对流对方腔内相变石蜡熔化蓄热的影响

相对于传统材料,基于潜热储能的相变材料具有更高的储热效率。为了研究方腔内相变材料的蓄热机理,基于Boussinesq假设修正满足于相变过程的动量方程,并建立底边加热下相变材料熔化蓄热的流-固-热三场耦合计算模型。采用有机相变石蜡材料,开展底部恒定温度下的石蜡熔化蓄热试验,验证计算模型的正确性。结果表明,整个相变石蜡熔化过程是由热传导和自然对流传热两者共同主导的。在熔化初期,熔化前缘基本与加热面平行,热量传输主要由热传导提供。当液相层厚度大于2mm后,自然对流传热效应逐渐被激活,加速熔化速率,并形成不规则的融化前缘。根据熔化前缘与液相流动特征,可将整个熔化过程分为热传导、稳定增长、过渡及紊流四个阶段。此外,液相自然对流传热对相变石蜡的熔化蓄热效率提升存在显著的尺寸效应,并随方腔尺寸增加而加剧。当方腔尺寸小于2mm时,自然对流的提升效率不足1%,此时可忽略不计。     

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,翅片的加入虽加速了顶部石蜡的熔化,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,从而提高最终稳定温度。     

纳米复合相变材料融化传热特性的格子Boltzmann方法研究

基于双分布函数模型方法,建立了一个模拟伴随有液相自然对流的纳米复合相变材料融化传热过程的格子Boltzmann方程模型.其中温度分布函数方程的构建采用直接基于焓方程的方法 ,避免传统方法需要迭代处理源项,提高了计算效率.应用该模型对方腔内纳米流体自然对流传热过程进行模拟,模拟结果与文献结果吻合较好;在此基础上对纳米复合相变材料融化过程进行模拟.结果表明,有效黏度系数的变化对纳米复合相变材料融化传热有着至关重要的影响,偏高的黏度系数可能会抑制纳米流体相变换热过程.此外,在给定的纳米粒子体积份额情况下,区域相变材料融化传热性能随Rayleigh数的增大而增强.     

相变蓄热水箱蓄热性能数值模拟研究

在封闭静止的蓄热水箱中添加相变材料可以增加水箱热容量、延长水箱升温时间。分别建立了有、无相变单元蓄热水箱的物理模型,利用有限体积分析法对蓄热水箱加热过程进行数值模拟,探讨了封闭水箱加热过程中相变单元的熔化规律和相变单元对水箱温升的影响规律。研究结果表明相对于纯水蓄热水箱,当蓄热水箱中加入占水箱容积9.05%(体积分数)的相变单元、其平均温升29 K时,蓄热水箱的整体热容量提高了25.58%,加热时间延长了1 100 s;蓄热水箱内只在垂直方向上存在热分层,导致含有相变单元的蓄热水箱较高位置处的相变单元先熔化,降低了较高位置处水的温升速率,使得相变蓄热水箱和纯水蓄热水箱的热分层剧烈程度存在差别;以最大温差值作为判断水箱热分层剧烈程度的依据,不同加热功率下相变蓄热水箱的热分层特征变化规律大致相同,但加热功率越大,热分层现象越剧烈。     

基于纳米复合PCM集蓄热构件的建筑太阳能供暖特性研究

设计一种基于吸光型纳米复合相变材料(PCM)模块化集蓄热构件,将其应用于建筑太阳能采暖,以降低能耗和碳排放。开展石墨烯-石蜡复合相变材料的制备和物性测试,建立PCM集蓄热数学模型,并结合典型气候工况进行供热特性的数值模拟,研究定风量情况下蓄热层厚度和空气流道宽度对供暖特性的影响,分析通风速度对送风温度、日供热量以及太阳能供暖保证率的影响。研究结果表明：添加石墨烯后的纳米复合PCM相对于纯石蜡的集热效率约提升了60%;对于具有18 m²采光面积的集蓄热构件,当通风速度为1.0 m/s时,太阳能集蓄热墙具有较为优异的供暖性能,此时供给室内的日供热量、日平均热效率和供暖保证率分别为112.5 MJ、67.6%和90.0%,室内能够达到20℃的设定温度的时间为13 h。     

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。     

金属泡沫-翅片复合结构强化相变蓄热的实验研究

为了对竖直方腔内嵌金属泡沫复合石蜡相变蓄热材料的蓄热特性进行探究,自主设计搭建了相界面可视化的相变蓄热实验台,对纯石蜡、添加金属泡沫及添加翅片-金属泡沫3种结构进行了实验探究。在熔化过程中使用固定高清相机拍摄相界面变化,在蓄热装置内布置热电偶测点记录熔化过程中距底板相同距离的温度变化规律。实验结果表明:在70℃的热源温度下,金属泡沫的加入对完全熔化时间的影响起主导作用,添加铜泡沫组的完全熔化时间缩短为纯石蜡组的56.53%;添加翅片对完全熔化时间影响较小,主要影响蓄热装置内部的温度均匀性。翅片-铜泡沫组的相界面以翅片为中心移动,且整个蓄热装置内部受翅片影响,在固相升温阶段和相变阶段结束初期温度升高速率均会有较明显提升。     

太阳能相变蓄热炕的实验及数值模拟研究

为实现太阳能相变蓄热炕的快速升温,采用毛细管网及配置高导热复合相变材料来提高炕体的热响应时间,通过数值模拟与实验研究相结合的方法对炕体的热工性能进行研究。本文首先对比不同熔点石蜡的差示扫描量热(differential scanning calorimetry,DSC)曲线,选取35#石蜡作为研究对象,采用熔融混合法制备不同配比的石蜡-膨胀石墨复合定形相变材料;并通过渗漏测试确定最佳配比。实验表明:当膨胀石墨质量分数为8%时,复合定形相变材料渗漏率较低,为兼顾储热、导热性能的最佳配比。将石蜡复合相变材料应用于太阳能相变蓄热炕,通过计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)建立三维非稳态传热模型,对炕体进行24 h供热模拟设计;模拟表明:太阳能相变蓄热炕在昼间垫面温度达到24.2 ℃,夜间垫面温度达到30.2 ℃。通过Trnsys(transient system simulation program)软件对组合式系统进行运行模拟发现:组合系统均可达到设计的45 ℃及以上;另外,组合式系统全年节电量为2 974.7 kW·h,或节省标准煤469.9 kg,或减少二氧化碳1 240.5 kg、一氧化碳70.9 kg、PM₁₀6.8 kg等,节能减排量显著。     

泡沫铝和石蜡复合相变材料的传热特性分析

通过将融化的石蜡注入泡沫铝构成复合相变材料,能有效改善复合相变材料石蜡的导热性能.以两边定壁温、两边绝热的正方形泡沫铝复合石蜡相变材料为研究对象,利用双温度模型分析了纯石蜡、低密度泡沫铝复合石蜡、高密度泡沫铝复合石蜡的传热特性.采用相似理论得出双温度模型的理论解形式,并以显热容法数值模拟了相变传热过程.结果表明:经过简化的双温度模型的理论解与数值解高度吻合,在正方形中二维传热可以简化为一维传热来进行求解;泡沫铝复合石蜡相变材料的导热系数比纯石蜡有了较大改善;相变过程中石蜡和泡沫铝之间的温度差不可忽略.     

基于分形的多孔介质复合相变材料的储热特性

本文利用膨胀石墨和纳米颗粒来强化相变储热系统的传热性能。在膨胀石墨基体中填充含纳米颗粒的相变材料,用焓-孔隙度法模拟材料的相变过程。针对不规则的膨胀石墨孔隙结构,用三维W-M分形函数修正膨胀石墨孔隙率波动,以研究不同的孔隙率和有效导热系数比对固态显热蓄热阶段相变材料熔融速率的影响。在液态显热蓄热阶段时探讨膨胀石墨孔隙率以及纳米颗粒体积分数对相变储热系统中对流传热的影响。研究结果表明,分形分布的孔隙结构能有效地抑制纳米颗粒的自由运动从而降低了纳米颗粒的局部团聚的可能性,所以利用三维W-M分形函数修正的膨胀石墨比采用平均孔隙率能更好地模拟相变材料的熔融速率。在固态显热蓄热阶段,膨胀石墨孔隙率为0.8的相变材料熔融速率比孔隙率为0.85和0.9显著增加,另外,膨胀石墨与纳米颗粒-相变材料的有效导热系数比为100的熔融速率也明显比有效导热系数比为80和60的快。当相变材料处于液态显热蓄热阶段时,其在膨胀石墨孔隙中产生对流,对流传热速率随着膨胀石墨的孔隙率增大而增大,纳米颗粒体积分数的增加也会提高对流传热速率。     

相变蓄热水平套管内凝固过程的数值模拟

该文针对相变蓄热水平套管相变过程,考虑相变区内的自然对流效应,利用计算流体力学软件Fluent软件内的凝固/融化模型对套管内十八烷相变材料进行模拟,得到了不同时刻下套管内传热流体与相变材料耦合问题的温度场、流速场的变化规律.结论表明凝固过程开始阶段,对流换热对换热的影响十分强烈,不能忽略不计.研究结果对蓄热套管在工程实际中的应用具有一定的参考价值.     

石蜡/膨胀石墨复合相变材料控温电子散热器的性能

为了提高电子器件抗热冲击的能力、保证电子器件运行的可靠性和稳定性,以石蜡为相变储能材料、膨胀石墨为支撑材料,采用物理吸附法制备石蜡/膨胀石墨复合相变材料,将其应用于电子器件的热管理中,并通过模拟芯片实验研究了石蜡/膨胀石墨复合相变材料控温电子散热器的性能.结果表明:石蜡质量分数为90%的复合相变材料的导热系数相比于纯石蜡(0.3608 W/(m.K))提高了约4倍;相变材料填充于散热器中,可有效降低模拟芯片的升、降温速率,延长散热器的控温时间;当芯片发热功率为15和20W时,散热器填充复合相变材料后的控温时间较填充前分别提升了59%和20%,可降低电子器件因温度瞬间升高而烧坏的可能性,实现对电子器件的保护.     

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。     

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.     

太阳能热发电复合相变蓄热材料的实验研究

针对相变材料无机盐KNO3/NaNO3(摩尔比50/50)导热系数低,影响了蓄热系统充放热过程传热效率,制备了适用于太阳能热发电系统的无机盐/膨胀石墨复合相变材料,对复合相变材料的微观结构和热物性进行了分析,并搭建充放热测试平台对相变材料分别进行了热性能研究。结果表明:复合相变材料中的无机盐均匀分布在膨胀石墨中,其相变潜热与基于复合材料中无机盐质量分数的计算值相当,添加膨胀石墨后相变材料的导热系数得到了改善;在充热过程中纯无机盐的换热方式以自然对流为主,同一蓄热单元内沿轴向上下位置温差较大,不同蓄热单元内相同位置完成充热过程所需时间从上到下依次增加,而对于无机盐/膨胀石墨复合相变材料(质量比90/10)充热过程以导热为主;与纯无机盐不同,同一蓄热单元内沿轴向上下位置温度变化趋势基本一致,不同蓄热单元相同位置完成充热过程所需时间几乎没有差别。添加膨胀石墨后,相变材料的充热过程所需时间减少较小,而放热过程所需时间减少约45%,传热介质流量的变化对复合相变材料充/放热过程影响较小。