含不同结构金属骨架石蜡相变传热数值模拟

分别将2种三维金属骨架(面中心法金属骨架,圆柱交叉金属骨架)加入纯相变材料(石蜡)制备复合相变材料1,2。采用数值模拟方法,模拟相变传热过程,分析加热过程纯相变材料,复合相变材料的温度变化,液相率变化,速度场分布。容纳石蜡的方腔长×宽×高为5 cm×2 cm×5 cm,方腔左壁面为加热面,温度为65℃,其他壁面绝热。纯相变材料,复合相变材料的初始温度均为25℃。相同加热时间,复合相变材料的平均温度明显高于纯相变材料。对于纯相变材料,热量向方腔右侧壁面传递缓慢,加入金属骨架可加速热量向方腔右侧壁面传递。相同加热时间,复合相变材料的液相率明显高于纯相变材料。在加热初期,复合相变材料1液相率更高,添加面中心法金属骨架更有利于加速相变蓄热。纯相变材料内部传热由导热和自然对流传热共同作用形成。复合相变材料内部的传热也是由导热与自然对流传热共同作用形成。相同加热时间,复合相变材料1的液相区域要大于复合相变材料2,且相变更加均匀。对于纯相变材料,熔化过程中,石蜡的流动主要集中在加热面附近及左上角,角化现象明显。对于复合相变材料,在接近完全熔化及完全熔化状态,固态石蜡基本熔化完成,方腔内液态石蜡温度基本趋于一致,自然对流强度减弱,复合相变材料1,2内石蜡的流动并不明显。与复合相变材料2相比,复合相变材料1的速度场分布更加均匀。面中心法金属骨架的综合性能更优,适合作为相变材料的强化传热金属骨架。     

金属翅片、骨架强化石蜡相变传热的数值模拟

在充满相变材料(石蜡)的矩形腔体内分别添加金属翅片、金属翅片和金属骨架,采用模拟方法研究纯石蜡方腔、含翅片方腔、含翅片(即金属翅片)-骨架(即金属骨架)方腔对腔体内石蜡相变传热的影响。3种方腔内的相变传热过程均为导热与自然对流传热共同作用。含翅片-骨架方腔中的石蜡熔化速率最快,且完全熔化时间最短。含翅片方腔中的石蜡熔化速率最慢,完全熔化时间最长。纯石蜡方腔中的石蜡熔化速率与完全熔化时间居中。相同加热时间,含翅片-骨架方腔的中心线温度分布最均匀,且高于其他两种方腔。含翅片-骨架方腔的中心线平均温度最先达到稳定,然后是纯石蜡方腔,最后是含翅片方腔。在3种方腔中,含翅片-骨架方腔有利于加速石蜡熔化速率,缩短熔化时间。含翅片方腔阻碍自然对流传热,不利于石蜡的相变传热。     

金属骨架结构对相变材料熔化过程的模拟研究

将金属骨架加入到纯相变材料(石蜡)制备复合相变材料，以纯相变材料、复合相变材料为研究对象，建立数学模型。采用有限元软件模拟相变材料的熔化过程。结果表明：均匀、x、y、z-复合相变材料完全熔化时间分别为460 s、660 s、460 s、470 s,减小x方向圆柱骨架半径可使完全熔化时间增加43%,减小y方向的圆柱骨架半径对完全熔化时间无影响，减小z方向圆柱骨架半径可使完全熔化时间增加2%。在相同时间内，复合相变材料的液相率明显高于纯相变材料，纯相变材料、均匀、xy-复合相变材料完全熔化时间分别为1 245 s、460 s、355 s,均匀、xy-复合相变材料的完全熔化时间分别比纯相变材料缩短了63.1%、71.5%。研究表明，金属骨架的加入可明显改善换热状况，xy-复合相变材料在强化换热方面优于均匀-复合相变材料。     

金属骨架断面对石蜡相变传热影响的模拟分析

以填充金属骨架的矩形石蜡方腔作为研究对象,分别选取完整方腔、单纵向断面(纵向断面与高温壁面平行)方腔、3纵向断面方腔、单横向断面(横向断面与高温壁面垂直)方腔,模拟分析金属骨架断面对石蜡熔化速率、金属骨架导热强化效果的影响。固态石蜡完全熔化时间由短到长的排序为：完整方腔、单横向断面方腔、单纵向断面方腔、3纵向断面方腔,完整方腔与单横向断面方腔的固态石蜡完全熔化时间接近。当腔体高温壁面与金属骨架断面平行时,断面对方腔内固态石蜡完全熔化时间影响极大：较大的断面宽度使熔化速率在固态石蜡熔化过程中出现明显下降;断面数量越多,固态石蜡完全熔化时间越长。当腔体高温壁面与金属骨架断面垂直时,断面对方腔内固态石蜡完全熔化时间几乎没有影响。当腔体高温壁面与金属骨架断面平行时,断面削弱金属骨架的导热强化作用。当腔体高温壁面与金属骨架断面垂直时,断面对金属骨架的导热强化作用基本没有影响。     

含穿孔翅片腔体中石蜡相变传热特性研究

由于相变材料传热性能差，添加翅片可以改善其传热性能。本文采用数值模拟方法研究了在石蜡中添加交叉翅片骨架的复合相变材料的热性能，分析了复合相变材料的温度变化、熔化过程和骨架在不同方向穿孔及大小对复合相变材料热行为的影响。结果表明，横小纵大穿孔骨架对复合相变材料热性能提升显著，在节约材料的同时，增加了方腔蓄热量，与纯石蜡相比，复合相变材料的熔化时间缩短了56%。交叉穿孔翅片方腔中表现为大环流伴随小环流的流动特征，铝骨架与石蜡温度特征点处会出现沉积现象，造成温度波动。     

翅片排布方式对矩形腔相变材料熔化的影响

以填充石蜡的矩形腔(分为无翅片矩形腔、带翅片矩形腔)为研究对象,建立数学模型。采用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟矩形腔内石蜡的熔化行为,分析不同翅片排布方式对石蜡熔化行为的影响,筛选有利于增强石蜡熔化的翅片排布方式。矩形腔右侧壁面为受热面,其他3个面为绝热面,带翅片矩形腔的翅片设置在受热面内侧。在翅片数量(3个翅片)、间隔不变的前提下,保持矩形腔内翅片总长度不变,设置4种翅片排布方式。排布方式1:每个翅片长度均为32 mm。排布方式2:自下而上的翅片长度分别为41、32、23 mm。排布方式3:自下而上的翅片长度分别为23、32、41 mm。排布方式4:自下而上的翅片长度分别为29、38、29 mm。对于无翅片矩形腔,在自然对流传热作用下,右上角的石蜡最先熔化,然后熔化部分向矩形腔中心扩散,直至矩形腔左下角石蜡完全熔化。矩形腔增加翅片可有效改善石蜡熔化的均匀性,缩短了矩形腔内石蜡的熔化时间。排布方式2对改善矩形腔内石蜡熔化均匀性的效果最理想,石蜡完全熔化的时间最短。相同受热时间下,带翅片矩形腔内石蜡的液相面积比(液相石蜡面积与矩形面积之比)明显高于无翅片矩形腔。无翅片矩形腔内石蜡完全熔化的受热时间为3 522 s,带翅片矩形腔翅片排布方式1～4的石蜡完全熔化的受热时间分别为1 874、1 674、2 082、1 910 s。将等长翅片的排布方式1作为基准,评价其他3种翅片排布方式对矩形腔内石蜡熔化的增强作用。翅片排布方式2对矩形腔内石蜡熔化的增强作用明显,增强作用集中在熔化过程的中后期。排布方式3、4起到了相反作用。     

含翅片矩形腔体内相变材料传热特性研究

相变材料低导热特性影响相变传热进程,添加金属翅片可有效提高相变材料传热速率.本文通过使用有限元软件模拟相变材料的熔化过程.通过改变翅片高度、翅片厚度、翅片个数、加热壁面的温度以及将铝片换为导热性能更好的铜片来研究相变材料熔化过程.研究结果表明:增加翅片高度、翅片个数和提高热源壁面温度对强化换热效果具有显著的作用,增加翅...     

泡沫铜/石蜡复合相变材料融化过程的换热特性

为了研究强化相变蓄热器的换热情况,搭建了矩形腔体内填充泡沫金属/石蜡的实验台,在恒壁温条件下,进行了泡沫金属/石蜡复合相变材料的融化蓄热实验.根据实验数据绘制了不同加热温度下石蜡内部温度随时间变化曲线,分析了腔体内自然对流对温度分布的影响、传热温差对蓄热时间的影响.结果表明,泡沫金属的高导热性能强化了石蜡在腔体内的融化...     

同心套管相变蓄热装置内管数量的优化模拟

以石蜡作为相变材料,在填充率一定的前提下,分析同心套管相变蓄热装置(以下简称蓄热装置)内管数量对石蜡熔化过程的影响。以4内管为基准,考虑石蜡熔化时间、单位长度内管换热面积,确定最优的内管数量。石蜡的温度变化先快后慢,最后趋于稳定。时间相同时,内管数量越多,石蜡平均温度越高。相同时间,不同内管数量蓄热装置横截面的石蜡液相率均呈上大下小。相同时间,内管数量越大,蓄热装置内未熔化的石蜡越少。在石蜡液相率趋于稳定前,内管数量越多,相同时间石蜡液相率越大。蓄热装置的最优内管数量为10。     

不同梯度尼龙骨架对相变材料传热过程的影响

在纯相变材料中分别加入7种不同梯度的尼龙骨架，建立7种复合相变材料(XZ正梯度、XZ负梯度、均匀无梯度、X正梯度、Z正梯度、ZX正梯度、ZX负梯度)的三维模型，通过数值模拟方法研究不同梯度尼龙骨架对相变材料传热过程的影响。采用有限元法模拟矩形腔内石蜡的相变过程，分析加热过程中复合相变材料的液相率分布、温度变化、内部温度均匀性。结果表明：含尼龙骨架的矩形腔与纯相变材料相比，尼龙骨架起到阻碍自然对流的作用，隔热效果更好；沿次对角线方向孔隙率依次增大的尼龙骨架更有利于增强相变夹层的隔热效果；沿次对角线方向孔隙率依次增大的尼龙骨架升温最慢且内部均匀性最差，适合作为墙体内相变夹层中的梯度骨架结构。     

体积占比不同的组合式石蜡相变传热数值模拟

石蜡组合式腔体的长、宽、高均为30 mm,内部用两个长30 mm、宽1.5 mm、高30 mm的铜板分割成3个腔体层,每个腔体层填充不同相变温度的石蜡.组合式腔体左壁面为加热面,其余壁面均绝热.在组合式腔体长、宽、高均不变的情况下,通过改变各腔体层的宽度来改变石蜡的体积占比,共设置7种排布方式.排布方式1:各腔体层均填...     

低熔点石蜡微胶囊掺量对相变蓄热砂浆性能的影响

以低熔点石蜡微胶囊为相变储能材料,配以水泥、砂和外加剂制成低熔点石蜡微胶囊相变蓄热砂浆。研究了低熔点石蜡微胶囊掺量对相变蓄热砂浆施工性能、力学性能以及热工性能的影响,并进行了模拟上墙试验。结果表明,石蜡微胶囊掺量对相变蓄热砂浆的性能有着重要的影响,当其掺量在6.5%～10%时,其施工性能、力学性能和热工性能达到最佳;掺量为8%时,相变蓄热砂浆上墙无开裂,适宜于工程应用。     

用于墙体建筑节能的复合相变材料的试验研究

以石蜡、膨润土为原料,制备了石蜡/膨润土复合相变材料。利用金相显微镜和差示扫描量热仪分别对其微观形貌和热性能进行了观察和表征。试验结果表明,当膨润土与石蜡的质量比为2:1,搅拌速度为3000r/min时,制备的复合相变材料体系均匀、稳定,具有良好的热物理性能。     

毛细管相变蓄热罐性能实验研究

相变蓄热装置是太阳能、工业余热等供热技术推广应用的关键装备。在分析现有相变蓄热装置特性的基础上,提出了毛细管相变蓄热罐,并结合一种复合型相变蓄热材料,对其热物性进行了测试,结果表明该复合相变蓄热材料符合太阳能供热技术的要求。同时研究了水流量和供水温度对毛细管相变蓄热管性能的影响,得出了最佳流量,为毛细管相变蓄热罐的设计提供了数据支持。     

三套管相变蓄能换热器供热工况稳态模拟分析

三套管相变蓄能换热器在供热工况下运行时,外层水与中间层相变材料间的换热以及中间层相变材料与内层制冷剂间换热同时进行。建立了三套管相变蓄能换热器的数学模型,针对液态相变材料层引入了有效热导率,模拟稳态下传热温度场。三套管相变蓄能换热器的液态相变材料层增大了传热热阻,产生较大的径向温度梯度,但30min后相变材料层温度场即可达到稳态,制冷剂侧换热效果并未由于相变材料热导率低而有显著变化。     

Numerical simulation of phase change heat transfer of a solar flat-plate collector with energy storage

The technical feasibility of an innovative solar collector is studied in this paper. A phase change material (paraffin) is used in the solar collector to store solar energy. This type of system combines both collection and storage of thermal energy into a single unit. The major advantages of the phase change stores are their large heat storage capacity and isothermal behavior during the melting and solidifying processes. A negative aspect of paraffin is its low thermal conductivity which increases the melting and solidifying time for paraffin energy storage. In this paper, new aluminum foams infiltrated with paraffin are presented. It presents a two dimensional model describing the melting and solidifying processes of paraffin while accounting for both phase change heat transfer and natural convection. Apparent heat capacity method was used to simulate the melting and solidifying processes of paraffin. The simulation results show that the motion of the hot liquid paraffin plays an important role in increasing the heat transfer between paraffin and top surface of solar collector. The shape profile of the pure paraffin solid-liquid interface is determined by the synergistic relationship between its temperature and velocity field. Though aluminum foams impregnated with paraffin will limit motion of the hot liquid paraffin, the heat transfer ability is greatly improved. The distributions of the temperature in the paraffin with aluminum foams are more homogeneous compared with that of the paraffin without aluminum foams. Thus, use of aluminum foams infused with paraffin improves heat transfer and enhances paraffin’s melting and solidifying rates.     

相变储能技术发展分析及展望

针对目前国内建筑节能技术发展现状,介绍了相变材料的储能性能,总结了外墙保温和相变蓄热材料等建筑节能技术的特点,及其在具体工程实例中的应用,并对这些技术的应用前景进行了讨论分析。     

相变材料在太阳能热泵系统的应用

介绍了相变材料在太阳能热泵系统中的应用现状,开发适用于太阳能热泵系统的脂肪酸类相变材料。以某太阳能空气源热泵系统为研究对象,在蓄热水箱中安装相变蓄热装置,满足夜间值班供暖热负荷。与安装相变蓄热装置前比较,系统的动态费用年值下降,经济性提高。