有/无泵辅助板式蒸发器环路热管系统性能的实验研究

实验研究了泵辅助和无泵辅助板式蒸发器环路热管系统的启动特性、不同热流密度下系统内工质的流动传热特性和热效率,以及在一定热流密度下不同泵功率对泵辅助板式蒸发器环路热管系统的影响。结果表明:无泵辅助系统需蒸发器内产生气态工质后才开始运行并进行换热,冷凝器内的工质是相变换热,而泵辅助环路热管系统一经启动就开始运行并进行热量交换,冷凝器内的换热方式逐渐由显热换热转变到相变换热;无泵辅助系统热效率随蒸发器热流密度的升高而升高,而泵辅助系统随蒸发器热流密度的升高而降低,泵辅助系统整体热效率高于无泵系统;当热流密度为0.25 W·cm~(-2)时,泵辅助环路热管热效率较无泵辅助环路热管热效率高22.1%,而当热流密度为1.25 W·cm~(-2)时,泵辅助系统仅比无泵辅助系统高2.7%,说明当热流密度较小时,泵辅助系统更具优越性;对于泵辅助环路热管系统,系统热效率随着泵功率的增加而减小,在1.25 W·cm~(-2)热流密度下,适用的泵功率强度不应超过0.002 W·cm~(-2),表明系统热流密度与泵功率存在最优匹配。研究结果可为设计分离型平板式太阳能热水器及热沉散热器提供参考。     

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%。     

四丁基溴化铵-四氢呋喃系蓄冷水合物

基于二元工质水合物相对单一工质水合物在蓄冷特性方面的优越性,在水合物客体组分总质量分数为31.4%的条件下,实验研究了四丁基溴化铵(TBAB)-四氢呋喃(THF)混合水合物蓄冷特性. 通过改变TBAB-THF组分配比,考察了水合物的诱导时间、近似相变温度、蓄冷面积及释冷面积的变化. 结果表明,TBAB-THF系中TBAB浓度减少使诱导时间增长、温度突变点降低、近似相变温度降低,从而减小了水合物在生长阶段的蓄冷面积,缩短了分解阶段的分解完成时间;TBAB浓度在25.7%~27.4%时,相变温度在6.3~8.0℃之间,与空调冷冻水相近,且释冷面积相对其他浓度较高,可作为蓄冷空调的良好介质.     

气体燃烧辐射加热炉的换热效率与CFD数值模拟

采用自行设计的燃烧加热炉模型装置,研究液化石油气直喷燃烧中换热管空间位置、热负荷(燃气流量)及换热介质流量等因素对换热效率的影响规律,并对炉内温度场进行了CFD数值模拟计算.结果表明:在理想的热负荷条件下(0.88 kg/h),距离燃烧中心愈近,辐射换热效率愈大;随着换热介质流量的增加(>40 L/h),换热效率有下降的趋势;CFD数值预测的温度分布规律与实测吻合较好,火焰形状是影响辐射换热的重要因素.     

电渗——微尺度固-液相界面传递的高效工具

液相组分在固相多孔介质内的扩散常常是许多固-液反应和分离过程的速度控制步骤,典型的如生物大分子的液相色谱分离过程.     

二次换热式相变蓄热水箱的蓄放热特性研究

以三水醋酸钠为储热相变材料,添加成核剂和增稠剂,设计搭建二次换热式相变蓄热系统实验平台。通过实验分析了相变材料填充率、水的体积流率对相变蓄热水箱整体性能的影响。结果表明:蓄热时,二次换热式相变蓄热水箱温度分布比较均匀,相变材料升温速率与换热流体(HTF)升温度率基本保持一致。取热时,尽管添加的相变材料能够蓄存更多的热量,但相变蓄热袋占用了水箱的空间,影响水箱内换热流体对流传热。因此添加相变蓄热袋会影响蓄热水箱放热速率。与不填充相变材料的蓄热水箱对比,相变蓄热水箱取热量变小,取热效率降低。     

气体水合物相变热研究进展

气体水合物作为一种特殊的相变材料,在形成与分解过程中会发生相态改变并伴随着相变热的变化。本文从气体水合物相变热的测定和应用两个方面对气体水合物相变热的研究现状进行了综述。对比分析了两种确定气体水合物相变热的方法,两种方法分别为差示扫描量热仪(DSC)实验直接测定法和基于相平衡的Clausius-Clapeyron方程间接计算法。综述了气体水合物相变热的应用研究现状,尤其是在空调蓄冷技术中的应用,其中气体水合物空调蓄冷技术从蓄冷工质和蓄冷装置两个方面进行了阐述。指出了气体水合物相变热应用研究中的重点和难点,为气体水合物相变热应用的进一步发展提供参考。     

石墨烯纳米流体相变材料蓄冷特性的数值模拟

鉴于石墨烯高导热性能的特点,将石墨烯纳米流体作为相变材料有望提高蓄冷效率。本文对水基石墨烯纳米流体相变材料的凝固特性进行了数值研究,采用焓-多孔度法追踪固液相界面,分析了石墨烯纳米片质量分数、蓄冷腔体尺寸和几何形状对凝固时间和相界面演化的影响。结果表明,相变材料凝固所需时间随着石墨烯纳米片质量分数的增大显著降低,对于直径为72mm的圆形蓄冷腔体,质量分数为1.2%的石墨烯纳米流体相变材料与去离子水相比凝固时间降低了30.1%,与已有的实验结果相符;随着圆形蓄冷腔体直径减小,石墨烯纳米流体凝固所需时间显著降低,但石墨烯纳米片对凝固的强化作用减弱;在腔体等截面积的情况下,三角形腔体内凝固过程的相界面移动速率明显大于圆形和方形腔体、更有利于促进凝固过程,3种形状腔体内初期凝固都发生在腔体底部、凝固中期相界面形状与腔体本身形状相似、凝固后期相界面趋近于圆形。     

有机朗肯循环系统蒸发器传热特性分析

为了提高有机朗肯循环(ORC)系统中蒸发器换热效率,采用CFD软件FLUENT数值模拟计算方法与试验相结合,选取6种临界温度不同的待选工质,研究了工质进口速度、热空气进口速度、热空气进口温度、工质临界温度对蒸发器?效率、?损失率的影响,得出蒸发器换热效率最高的工质进口速度、热空气进口速度、热空气进口温度,进而得出各种待选工质的换热效果。研究表明:当工质进口速度为系统最小速度、热空气进口速度为系统最大速度时,蒸发器换热效率最高;待选工质临界温度越高,蒸发器换热效率越好;所有待选工质中换热效果:R245fa>正丁烷>异丁烷> R134a> R143a> R125。     

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。     

泡沫金属强化石蜡相变蓄热过程可视化实验

相变材料的低热导率是限制潜热蓄热广泛应用的重要原因。将相变材料石蜡真空条件下注入到泡沫金属铜内制备泡沫金属铜-石蜡复合相变材料,通过铜的高热导率及高孔隙材料的大面体比来强化相变换热过程。采用DSC示差扫描量热法对石蜡进行热物性测量获得准确的石蜡相变温度及相变潜热。以管壳式相变蓄热结构为对象,提取对称结构进行可视化设计,对比纯石蜡及泡沫金属铜-石蜡复合材料在相同运行条件下的相变过程,追踪二者熔化过程的相界面位置随时间的演化过程并布置热电偶准确测量材料内部的温度分布。结果显示加入泡沫金属后的复合材料的内部温差明显减小,温度分布均匀,蓄热热通量显著增大,有效缩短相变时间并缓解了自然对流造成的顶部过热和底部不熔化现象。     

多孔SiC陶瓷/石蜡复合相变材料定型封装及热性能研究

以微米级SiC粉为原料,采用冷冻干燥工艺制备具有连贯层状孔结构的SiC陶瓷。以多孔SiC陶瓷为基体,石蜡为相变芯材,通过真空浸渍法制备多孔SiC陶瓷/石蜡复合相变材料,研究了石蜡在层状多孔SiC陶瓷内的浸渗行为及复合材料的储热性能。结果表明,层片状多孔SiC陶瓷的显微形貌对石蜡的浸渗过程及储热性能有明显影响。当石蜡负载量为21.7%(质量分数)时,复合相变材料熔融温度为59.6 ℃,凝固温度为53.9 ℃,相变潜热为28.4 J/g,室温下的热导率为2.4 W·(m·K)^-1。复合相变材料吸热峰和放热峰强度随着石蜡负载量减少而降低,当温度为200 ℃时,多孔SiC陶瓷/石蜡复合相变材料失重为5%(质量分数),表明材料具有良好的热稳定性。复合相变材料在100 ℃热处理30 min后陶瓷基体未发生形变,经100次热循环后具有稳定的相变潜热和良好的定型能力。     

圆柱系统中石蜡/纳米银复合相变材料热特性分析

相变材料由于具有相变潜热,被应用于各领域的热管理。锂离子动力电池作为一种新能源,近年来广泛应用于电动汽车,相变冷却作为一种有效的被动冷却方式,能够有效减缓锂电池的热聚集。为将相变材料应用于减缓锂电池热失控,本工作建立了石蜡/纳米银复合相变材料(CPCM)的圆柱系统,使用相变模型及流体体积(VOF)模型研究了相变材料的融化过程,得到了初始时期空气/石蜡气液交界面的变化以及石蜡的液相分布,与实验结果具有很好的一致性。在此基础上分析了相变过程的吸热及储热情况。同时,针对不同质量分数的石蜡/纳米银复合相变材料进行模拟,结果表明,添加0.5wt%~2wt%的纳米银颗粒能够改善石蜡的导热性能,但潜热会有所降低。相变结束后,材料吸收的热量将转化为显热,底面传热减小,主要是通过壁面传热。另外分析了融化过程中液相的流动情况,相变材料液态层增厚,Nu数下降并趋于稳定,增加纳米银浓度也会降低Nu数。     

石蜡乳状液高温潜热输送材料的传热特性

石蜡乳状液高温潜热输送材料是一种在80～90℃之间存在相变的流体。由于相变潜热的存在,石蜡乳状液在相变区间内的储热、载热密度远大于水,且集储热与潜热输送于一体,适用于余热利用、太阳能利用和集中供热等领域,具有广阔的应用前景。研究了定热流条件下石蜡乳状液在管内的强制对流换热特性。结果表明,与纯水相比,虽然石蜡乳状液的有效比热大,但其对流传热系数低,且浓度越高,对流传热系数越低。实验发现入口温度对石蜡乳状液对流传热系数的影响不大,但随着入口温度升高,对流传热系数有增大的趋势。最后获得了石蜡乳状液对流换热量纲1关系式。     

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。     

Preparation and thermal characterization of expanded graphite/paraffin composite phase change material

Expanded graphite (EG)/paraffin composite phase change materials (PCMs), with mass fraction of EG varying from 0 to 10 wt.%, were prepared and characterized. Polarizing optical microscope investigation showed that compact EG networks formed gradually with increase in the mass fraction of EG. These networks provided thermal conduction paths which enhanced the thermal conductivity of the composite PCMs, e.g., an addition of 10 wt.% EG resulting in a more than 10-fold increase in the thermal conductivity compared to that of pure paraffin. Thermal characterization of the composite PCMs with a differential scanning calorimeter (DSC) revealed the effect of the porous EG on the phase change behavior of paraffin. The shifts in the phase change temperatures were observed. The maximum deviation of the melting/freezing points of the composite PCMs from that of pure paraffin was 1.2 °C whereas that of the peak melting/freezing temperature was 5.6 °C. The DSC investigation also showed an anomaly in the latent heat of the paraffin in the composite PCMs in that it first increased and then decreased with increase in the EG fraction. Heat storage/retrieval tests of the composite PCMs in a latent thermal energy storage system showed that the heat storage/retrieval durations for EG(10)/paraffin(90) composite were reduced by 48.9% and 66.5%, respectively, compared to pure paraffin, which indicated a great improvement in the heat storage/retrieval rates of the system.     

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%。     

多孔介质在高温相变蓄热中的强化换热

采用实验方法,验证了金属泡沫、膨胀石墨在高温蓄热系统中强化换热的作用。实验结果表明,在250～290℃之间,金属泡沫多孔材料能够提高纯硝酸钠的换热率2.1倍。由于多孔材料严重抑制了自然对流,在液相加热阶段,硝酸钠与多孔材料混合物的换热率不高于纯硝酸钠的一半。通过比较底部加热和顶部加热两种加热方式下蓄热系统的换热性能,进一步揭示了多孔材料对自然对流的影响。