泡沫金属铜/石蜡相变蓄热过程的数值模拟

在装有纯石蜡的相变蓄热箱中加入泡沫金属铜，利用Fluent软件，模拟研究石蜡相变蓄热箱在加入泡沫金属铜后，箱内石蜡温度分布的均匀性、稳定性及相变蓄热的变化规律。模拟结果显示，泡沫金属铜的加入，大大提高了石蜡的蓄热性能，缩短了石蜡相变的时间；且加入泡沫铜后，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。数值模拟结果与实验测试数据平均误差15.7%，与实测值吻合较好。     

泡沫金属铜/石蜡相变蓄热过程的数值模拟

在装有纯石蜡的相变蓄热箱中加入泡沫金属铜,利用Fluent软件,模拟研究石蜡相变蓄热箱在加入泡沫金属铜后,箱内石蜡温度分布的均匀性、稳定性及相变蓄热的变化规律。模拟结果显示,泡沫金属铜的加入,大大提高了石蜡的蓄热性能,缩短了石蜡相变的时间;且加入泡沫铜后,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。数值模拟结果与实验测试数据平均误差15.7%,与实测值吻合较好。     

相变蓄热电采暖结构模拟研究

相变蓄热层是相变蓄热电采暖结构的核心层,蓄热层中的储能材料以显热或相变的方式吸收,当一定的时间温度降到相变点,通过交换介质以导热、对流和辐射的方式将储存的热量释放给热用户。本实验将探究相变热过程中的理论蓄热、散热,先在GAMBIT软件中进行几何建模,网格划分,边界设定,完成模拟前处理。运用Fluent软件模拟蓄热层为纯石蜡微胶囊、蓄热层为泡沫金属铜/石蜡微胶囊复合相变材料的蓄热过程。结果表明,蓄热层中添加泡沫金属铜与石蜡微胶囊,强化了传热效果,解决了石蜡微胶囊导热率低的问题。与纯石蜡微胶囊对比,加快了相变响应时间,同时,导热效果更加明显。     

高孔隙率泡沫铜强化相变材料熔化特性

为了研究纯石蜡与泡沫铜/石蜡相变复合材料吸热熔化性能的不同,探究泡沫铜对石蜡熔化换热过程的影响,本文对纯石蜡和孔隙率为0.98的高孔隙率泡沫铜/石蜡复合材料的相变熔化过程进行了可视化实验研究,并数值模拟分析了纯石蜡及泡沫铜/石蜡复合材料熔化过程。结果表明：复合材料与纯石蜡的液相率变化出现交点,即临界液相率值,此时复合材料具有的液相占比与纯石蜡液相占比相同;泡沫铜的填充能明显改善纯石蜡传热系数低的问题,加快相变材料的整体熔化速率,当热通量为1200W/m²时,孔隙率为0.98的泡沫铜填充使纯石蜡完全熔化时间缩短了约12.5%,并使整体温度分布更均匀,改善热分层现象,且复合材料最大温差比纯石蜡最大温差低约27.5K。     

纳米复合相变蓄热材料的制备与特性

相变蓄热材料（phase change materials,PCMs）是相变蓄热技术研究的基础。针对普通相变蓄热材料热导率低的缺点,采用纳米技术改善石蜡的相变传热性能,从而提高其热导率及热扩散系数。通过纳米颗粒-石蜡复合材料熔化过程测试和纳米颗粒沉降过程观察,确定铜纳米颗粒和Hitenol BC-10分别作为实验用纳米颗粒和分散剂,在制备稳定的纳米铜颗粒-石蜡复合相变材料的基础上,对其热物性进行了实验研究。结果表明纳米铜颗粒的添加使得石蜡热导率增幅最大,实验测得固态纳米铜-石蜡热导率提高7.9%,液态提高3.8%,而固、液态热扩散系数则分别提高了20.6%和16%。     

纳米复合相变蓄热材料的制备与特性

相变蓄热材料(phase change materials,PCMs)是相变蓄热技术研究的基础。针对普通相变蓄热材料热导率低的缺点,采用纳米技术改善石蜡的相变传热性能,从而提高其热导率及热扩散系数。通过纳米颗粒-石蜡复合材料熔化过程测试和纳米颗粒沉降过程观察,确定铜纳米颗粒和Hitenol BC-10分别作为实验用纳米颗粒和分散剂,在制备稳定的纳米铜颗粒-石蜡复合相变材料的基础上,对其热物性进行了实验研究。结果表明纳米铜颗粒的添加使得石蜡热导率增幅最大,实验测得固态纳米铜-石蜡热导率提高7.9%,液态提高3.8%,而固、液态热扩散系数则分别提高了20.6%和16%。     

TPMS多孔铝-石蜡复合相变材料蓄热过程数值模拟及实验

传统相变材料受限于自身热导率小,其相变蓄热效率难以提升,通过在相变材料中添加具有高热导率的金属多孔结构是强化传热的重要手段之一。本文建立了三周期极小曲面（triply periodic minimal surface,TPMS）多孔铝-石蜡复合相变材料的三维、瞬态包含自然对流的相变蓄热模型,利用数值仿真结合实验的方法研究了TPMS多孔铝-石蜡复合相变材料在蓄热过程中的固液相界面演变规律、实时温度变化、热传输特性以及蓄热性能。结果表明,在纯石蜡中添加primitive杆状（primitive sheet,PS）、primitive壳状（primitive network,PN）两种TPMS多孔铝结构后,石蜡相变温度范围内出现明显的相变温度平台,PS-石蜡、PN-石蜡复合相变材料的相变起始时间较纯石蜡分别减少了74.1%与91.4%,竖直方向上的最大温度梯度由纯石蜡的1605.7℃/m分别下降至PS-石蜡、PN-石蜡复合相变材料的840℃/m、943.8℃/m,蓄热速率较纯石蜡分别提高3.10倍、4.69倍。最后,通过选区激光熔化（selective laser melting,SLM）技术成型了PS、PN多孔铝结构,并采用浇筑法制备了TPMS多孔铝-石蜡复合相变材料样品,利用可视化实验平台对仿真结果进行实验验证,发现仿真结果同实验吻合较好。     

平板微热管阵列-泡沫铜复合结构相变蓄热装置蓄放热特性

相变蓄热技术是节能减排的一个重要手段,在太阳能利用、余热回收和电力削峰填谷等领域发挥重要的作用。设计了以平板微热管阵列-泡沫铜复合结构为基础,多孔扁管为载热流体通路,水为载热介质,石蜡为相变材料的热管式蓄热装置。通过实验研究了蓄放热过程中装置内部石蜡的温度分布情况,不同载热流体温度和流量下的蓄放热功率变化,以及装置蓄放热效率等特性。实验结果表明,平板微热管阵列-泡沫铜复合结构可以使箱体内石蜡温度分布更加均匀;增加载热流体和相变材料的温差以及增大流量都可以提高蓄放热功率。实验条件下,该装置的最大蓄热功率为1.24 kW,最大放热功率为1.43 kW。装置蓄热效率为92%,放热效率为94%,总效率为87.4%。     

平板微热管阵列-泡沫铜复合结构相变蓄热装置蓄放热特性

相变蓄热技术是节能减排的一个重要手段,在太阳能利用、余热回收和电力削峰填谷等领域发挥重要的作用。设计了以平板微热管阵列-泡沫铜复合结构为基础,多孔扁管为载热流体通路,水为载热介质,石蜡为相变材料的热管式蓄热装置。通过实验研究了蓄放热过程中装置内部石蜡的温度分布情况,不同载热流体温度和流量下的蓄放热功率变化,以及装置蓄放热效率等特性。实验结果表明,平板微热管阵列-泡沫铜复合结构可以使箱体内石蜡温度分布更加均匀;增加载热流体和相变材料的温差以及增大流量都可以提高蓄放热功率。实验条件下,该装置的最大蓄热功率为1.24 kW,最大放热功率为1.43 kW。装置蓄热效率为92%,放热效率为94%,总效率为87.4%。     

石蜡与石蜡/膨胀石墨熔化性能的实验研究

为改善相变储能过程中石蜡(PA)的熔化性能，向PA中添加少量膨胀石墨(EG)制备了4种配比的石蜡/膨胀石墨复合相变材料(PA-EG)。通过热物性分析筛选出合适配比的PA-EG，并对其和PA在水平管壳式相变储能单元中的熔化过程进行了实验研究。根据相变材料的温度场变化以及加权法计算得到的熔化分数变化，对比分析了添加EG前后PA的熔化性能，并探究了加热温度对相变材料熔化性能的影响。结果表明，PA-EG3的热导率比PA高了7倍，且两者的相变温度和潜热相差不大。PA-EG3熔化过程中的自然对流效应弱于PA，但是较高的热导率能够显著改善相变储能单元中下部的熔化，使得其整体熔化速度快于PA。当加热温度为80℃时，PA-EG3的熔化过程比PA缩短了78.16%。此外，降低加热温度会使PA和PA-EG3的完全熔化时间都显著增加，但相同条件下PA-EG3的增加幅度更小。     

环形管填充金属泡沫强化相变蓄热可视化实验

针对管壳式相变蓄热器中换热基本单元——换热管开展了强化换热研究，通过在相变材料侧添加金属泡沫以强化蓄热。为了探索金属泡沫对相变蓄热过程强化的效果，设计搭建了相界面可视化的相变蓄热实验台，采用高清摄像机记录换热管内外侧相界面变化过程；通过在径向和轴向布置热电偶以获取相变过程的实时温度响应。测量了流速0.15 m·s^-1下光管和金属泡沫管的蓄热过程，实验结果表明：在相同实验条件（初温、入口流量/温度）下，添加金属泡沫能明显提高蓄热效率，达到相同蓄热效果下纯石蜡管所需时间是金属泡沫管的2.9倍；添加金属泡沫后各测点的温度响应速率均高于对照组，各测试点的温差更小且变化更均匀。     

Dynamic Charging Performance of a Solar Latent Heat Storage Unit for Efficient Energy Utilization

The dynamic charging performance of a solar heat storage system involving a packed bed containing spherical capsules is studied. The dynamic charging process of the solar heat storage system is simulated according to the energy balance equations. Paraffin is used as the phase change material (PCM) and water is used as the heat transfer fluid (HTF). The temperatures of the PCM and HTF, melting fraction and solar heat storage capacity are illustrated and analyzed. The influences of inlet temperature, initial temperature and flow rate of HTF, and the porosity of the packed bed on the charging time and heat storage capacity during the heat storage process are also discussed.     

泡沫金属复合PCM微结构传热储热过程模拟

以石蜡作为相变材料（PCM）,采用六面通圆孔三维结构模型,对泡沫金属复合PCM内相变熔化过程进行了数值模拟。研究了不同材料（Cu、Al、Ni、Fe）泡沫金属孔密度和孔隙率对复合PCM传热和储热性能的影响。结果表明,泡沫金属复合PCM传热过程受热传导和自然对流作用综合影响;随孔密度增加,复合PCM完全熔化时间缩短幅度逐渐减小,且泡沫金属热导率越高,孔密度对传热速率影响越大;泡沫金属复合PCM内存在非热平衡现象,孔密度和孔隙率增加均可减小最大平均温差,但对最终平衡时间的影响却截然不同;此外,泡沫金属复合PCM单位质量储热密度随孔隙率增大而增大,相比泡沫Cu、Ni、Fe复合PCM,泡沫Al复合PCM的单位质量储热密度较大,增加速率也较大。     

多熔点相变材料堆积蓄热床蓄热性能分析

对采用多种不同熔点相变材料（PCM）构成的堆积蓄热床进行了数值分析。热水作为换热流体（HTF）自上而下流经蓄热床,熔化相变材料、蓄积相变潜热。石蜡作为相变材料被注射入聚碳酸酯球壳内形成相变胶囊,根据熔点高低依次排放在蓄热床的不同位置,熔点越高距离热水进口越近。假定流场稳定,采用一维Schumann模型计算HTF温度,相变模拟采用显热容法。分别对两种排列方式下采用2种、3种以及4种相变材料的蓄热床的蓄热过程进行了基于热力学第一及第二定律的性能分析,并将结果与单相变材料蓄热床进行比较。基于热力学第一定律分析结果表明,采用多种相变材料构成的蓄热堆积床蓄热速度更快,能量效率更高。基于热力学第二定律分析表明,平均熔点更高的蓄热床能够储存更高的火用。结果表明采用多熔点相变材料构成的堆积蓄热床能够显著地缩短蓄热时间,改进蓄热性能。     

泡沫铜/石蜡复合相变储能材料的储放热过程及数值模拟

作为储热和热管理技术的重要材料之一,相变储能材料通常具有储热密度较大、相变温度变化较小的优势,但其热导率较低,热传递效率较差。本文将泡沫铜用于石蜡相变储能材料的传热强化,通过测定相变储能材料储放热过程的温度变化,考察了添加泡沫铜对相变储能材料储放热速率和温度均匀性的影响,且在实验基础上对储能材料的放热过程进行建模并求解,得到温度云图,为实际应用提供理论依据。结果表明,添加泡沫铜后,石蜡的相变储热和放热时间分别缩短了16.67%和14.71%;储放热过程复合材料中心层与外层中心点的最大温差分别降低了91.5%和87.5%;建立放热过程相变储能材料温度随时间变化的模型,对比实际值和模型预测值,得到相关系数及标准误差分别为0.99℃和0.13℃,证明该模型准确度较高,可有效预测相变储能材料的温度变化情况。     

应用于低温加热的肉豆蔻酸和硬脂酸共熔混合物的储热特性

Stearic acid （67.83℃） and myristic acid （52.32℃） have high melting temperatures that can limit their use as phase change material （PCM） in low temperature solar heating applications such as solar space and greenhouse heating in regard to climatic requirements. However, their melting temperatures can be adjusted to a suitable value by preparing a eutectic mixture of the myristic acid （MA） and the stearic acid （SA）. In the present study, the thermal analysis based on differential scanning calorimetry （DSC） technique shows that the mixture of myristic acid （MA） and stearic acid （SA） in the respective composition （by mass） of 64% and 36% forms a eutectic mixture having melting temperature of 44.13℃ and the latent heat of fusion of 182.4J.g^-1. The thermal energy storage characteristics of the MA-SA eutectic mixture filled in the annulus of two concentric pipes were also experimentally established. The heat recovery rate and heat charging/discharging fractions were determined with respect to the change in the mass flow rate and the inlet temperature of heat transfer fluid. Based on the results obtained by DSC analysis and by the heat charging/discharging processes of the PCM, it can be concluded that the MA-SA eutectic mixture is a potential material for low temperature thermal energy storage applications in terms of its thermo-physical and thermal characteristics.     

泡沫金属复合相变材料的制备与性能分析

利用泡沫金属多孔结构的吸附性能,以八水氢氧化钡为相变材料,泡沫铜为基体,制备了结晶水合盐/泡沫金属复合相变材料。采用差示扫描量热法测定了八水氢氧化钡的热循环性能,随着热循环次数的增加,相变材料的相变温度基本不变,相变潜热略有减少,八水氢氧化钡具有较好的热稳定性。搭建了相变储能实验台,实验分析了3组不同实验方案,结果表明,填充泡沫铜不仅增强了相变材料的传热速率,而且有效地降低了八水氢氧化钡的过冷度。当泡沫金属使用较大孔密度后,结晶水合盐的过冷问题得到了比较明显的改善。     

基于泡沫铜/石蜡的锂电池热管理系统性能

高效的热管理系统能极大提高电池使用寿命并保证电池安全运行。为提高能源利用效率,针对动力电池组散热问题设计了基于相变材料的被动式热管理系统。采用泡沫铜/石蜡构成复合相变材料以提高石蜡的导热性能,并对复合相变材料导热性能进了测试。通过改变孔隙率、加热功率及环境温度,对不同工况下基于复合相变材料的热管理系统性能进行了实验研究。实验结果表明,泡沫铜孔隙率分别为96%、95%以及93%的复合相变材料的热导率分别是纯石蜡的14.2倍、19.2倍和25.4倍。基于复合相变材料的热管理系统能显著降低热源温度,其冷却性能优于自然对流风冷热管理系统。当热源发热量及环境温度为定值,相同结构复合相变材料下,泡沫铜孔隙率越低,热管理系统性能越好。基于复合相变材料的热管理系统能显著减小由于加热功率和环境温度变化导致的温度波动,提高了热源温度稳定性。