空心铝合金结构填充相变材料的换热特性

实验研究了空心铝合金结构承载件内部填充相变材料的非稳态换热特征,通过测试试件加热面与背热面的温度响应分析了孔隙率、孔径等因素对换热过程的影响规律。研究结果表明:填充石蜡试件的换热过程可划分为熔化前显热区间、熔化区间、熔化后显热区间3个阶段;熔化区间的潜热吸收使得试件填充石蜡时的温控时间可达到不填充石蜡时的2.5倍;试件孔隙率越大或孔径越大,则其加热面与背热面的温差越大,熔化时间越长。     

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。     

基于二维梯度树状肋相变储热系统强化传热机理

设计了双碟式光热-光电储热发电系统,针对相变储热系统传热特性进行研究,建立了六纵肋、雪花型肋、梯度树状肋相变储热模型,采用Fluent软件对石蜡蓄释热过程进行模拟。通过非稳态传热温度场和速度场的变化分析石蜡熔化和凝固的传热机理。结果表明,石蜡熔化过程伴随着热传导与自然对流的协同作用,凝固过程对流换热微弱以热传导为主。从场协同的角度分析,采用梯度树状肋使空间温度分布更均匀,可提高流体速度场和温度场的协同程度。石蜡熔化温度分别为315、340、360 K,完全熔化时间依次为224、374、703 s;完全凝固时间依次为3439、1089、842 s。可见,随着熔化温度的升高,完全熔化时间增长,完全凝固时间缩短。因此,在选择相变材料时要综合考虑熔化温度、蓄释热初温和终温及储热量的要求。     

基于二维梯度树状肋相变储热系统强化传热机理

设计了双碟式光热-光电储热发电系统,针对相变储热系统传热特性进行研究,建立了六纵肋、雪花型肋、梯度树状肋相变储热模型,采用Fluent软件对石蜡蓄释热过程进行模拟。通过非稳态传热温度场和速度场的变化分析石蜡熔化和凝固的传热机理。结果表明,石蜡熔化过程伴随着热传导与自然对流的协同作用,凝固过程对流换热微弱以热传导为主。从场协同的角度分析,采用梯度树状肋使空间温度分布更均匀,可提高流体速度场和温度场的协同程度。石蜡熔化温度分别为315、340、360 K,完全熔化时间依次为224、374、703 s;完全凝固时间依次为3439、1089、842 s。可见,随着熔化温度的升高,完全熔化时间增长,完全凝固时间缩短。因此,在选择相变材料时要综合考虑熔化温度、蓄释热初温和终温及储热量的要求。     

基于相变材料的电子元件的散热性能

对比研究了无石蜡、纯石蜡以及石墨/石蜡复合材料三种不同填充状态的散热器在电子元件热管理中的性能,通过实验测量了功率变化时电子元件基板表面温度及散热器表面温度场的变化情况。研究结果表明添加石蜡、石墨/石蜡复合材料能缩短电子器件启动后温度场稳定的时间,温度变化速率有所下降;当功率突然增大时,填充石蜡、石墨/石蜡复合材料的散热器与芯片结合处温度升高值较小、变化较为平缓,可有效抑制热冲击对电子元件的影响。在散热过程中,填充了石蜡、石墨/石蜡的散热器表面温度变化更为平滑,有利于延长散热器的使用寿命。     

基于相变材料的电子元件的散热性能

对比研究了无石蜡、纯石蜡以及石墨/石蜡复合材料三种不同填充状态的散热器在电子元件热管理中的性能,通过实验测量了功率变化时电子元件基板表面温度及散热器表面温度场的变化情况。研究结果表明添加石蜡、石墨/石蜡复合材料能缩短电子器件启动后温度场稳定的时间,温度变化速率有所下降;当功率突然增大时,填充石蜡、石墨/石蜡复合材料的散热器与芯片结合处温度升高值较小、变化较为平缓,可有效抑制热冲击对电子元件的影响。在散热过程中,填充了石蜡、石墨/石蜡的散热器表面温度变化更为平滑,有利于延长散热器的使用寿命。     

套管式相变储能单元的强化换热

利用数值模拟方法研究了四种相变储能单元的放热性能。储能单元包括：光管中填充石蜡、翅片管中填充石蜡、光管中填充石蜡/膨胀石墨复合相变材料、翅片管中填充石蜡/膨胀石墨复合相变材料。结果表明添加5%（质量分数）膨胀石墨的强化效果与设计翅片的强化效果相当,而强化效果最好的是同时采用上述两种强化换热措施。换热流体流量越大,强化换热措施对储能单元的放热性能影响越大。在换热流体流量为0.02 m·s^-1时,第四种储能单元的放热时间比第一种减少50%,同时有效温区内的温度最多可提高5 K。储能单元进口水温与相变储能材料熔点间温差越大,强化换热的作用越明显。强化换热的措施在换热流体流量大及换热温差大的储能单元中作用显著。     

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。     

紫铜纤维毡水平表面的池沸腾换热性能

研究了浸没在去离子水中不同孔隙率和不同纤维直径的烧结紫铜纤维毡水平表面的池沸腾换热性能,采用高速摄像机对试件表面气泡的生长和脱离过程进行可视化研究。结果表明：纤维直径相同时,沸腾表面气泡的脱离直径随着孔隙率的增加而降低;对于不同直径的纤维毡试件,沸腾传热系数随孔隙率的变化规律不同,孔隙率对沸腾换热的影响是汽化核心密度和中流量孔径共同作用的结果。     

石蜡熔化蓄热的实验研究

石蜡是一种常见的相变材料,文章对石蜡的熔化蓄热进行了单管实验研究,并进行了差示扫描量热(DSC)测试,以所得的石蜡的相变温度为基础,研究石蜡在不同温度下的熔化情况,利用Agilent 34970A系统采集实验数据并处理,对其温度场的分布进行了分析比较。实验结果表明,石蜡的熔化是遵循一定规律的,开始阶段通过热传导熔化,等到出现一定液相时出现自然对流,并且加热温度越高,溶解越快,自然对流出现越早。石蜡导热系数比较低,因此应用范围受到了限制,文章为进一步改进石蜡的导热性能、使其得到更为广泛的应用提供了实验基础。     

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。     

Performance evaluation of polymer/clay nanocomposite thermal protection systems based on polyethylene glycol phase change material

Phase change materials (PCMs) are substances with a high heat of fusion which, through melting and solidifying at specified temperatures, are capable of storing or releasing a large amount of thermal energy. This phenomenon can be utilized in designing the heat protective materials as well as in the thermal energy storage systems. In this work, effects of polyethylene glycol (PEG) as PCM and montmorillonite nanoclay, as a thermal property modifier in epoxy resin on the thermal protection performance of nanocomposites were studied. A special performance evaluation test was designed to study the top surface temperature behavior of prepared samples under back surface heating. Results indicated that increasing PCM content improved thermal protection performance, but lower thermal diffusivity was found for the sample containing 60 wt% of PEG, with a 31 % decrease in top surface temperature. These results show that increasing of top surface temperature of samples containing PCM was very slow when compared with the neat epoxy sample. A top surface temperature behavior of these samples shows a plateau in melting region of PCM which makes a delay time in temperature increment compared with that of the neat epoxy sample. Moreover, heat protection performances of low filled nanocomposite blends, i.e., nanocomposite blends with 5 and 7 wt% of clay in PEG have been improved about 10 % in comparison with EP/PEG60 blend.     

球形容器内石蜡非约束融化特性实验

通过可视化实验研究了球内受空隙影响的石蜡（RT27）非约束融化过程,探讨了球直径、加热温度、初始温度以及相变材料（PCM）填充率对球内非约束融化特性的影响。通过对PCM固液界面演化、固相运动等融化行为的观察发现,受球内空隙影响,非约束融化过程会出现固相PCM先漂浮后下沉的融化模式。进一步的量化结果表明：增大球直径,固相PCM漂浮时间先增大后减小,总融化时间则持续增大;提升加热温度和初始温度,固相PCM漂浮时间和总融化时间减小;增大PCM填充率,固相漂浮时间和总融化时间先增大后减小。最后,通过对实验数据的无量纲化分析,提出了无量纲总融化时间（受Rayleigh数、Stefan数、PCM填充率、无量纲初始温度影响）关系式。     

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.     

耦合相变储热的金属氢化物反应器吸氢过程模拟

基于金属氢化物储氢反应,建立了相变材料蓄热的固体储氢反应器模型,模拟研究了吸氢压力等操作参数及相变材料的相变温度、固(液)态导热系数、相变潜热等物性参数对固体储氢反应器工作过程的影响. 结果表明,相变材料的固态导热系数和相变潜热对固体储氢反应器性能的影响较小,相变温度和液态导热系数对反应器性能影响较大. 相变温度越低,液态导热系数越大,储氢反应器性能越好. 在使用最优的相变材料储能时,提高充入氢气的压力可加快反应速率,强化相变材料的传热,有助于进一步优化反应器的储氢性能.     

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。     

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。     

Carbon foam matrices saturated with PCM for thermal protection purposes

In the present work, numerical and experimental studies are proposed to predict and investigate the thermal characteristics of a thermal protection system consists of carbon foam matrix saturated with phase change material, PCM. Several types of carbon foam matrices with different porosities and thermal properties were introduced for the sake of a parametric study. The composite (carbon foam matrix saturated with PCM) was introduced into a cylindrical enclosure while it experiences its heat from a heat source setting on the top of the enclosure. The numerical simulation was performed using the volume averaging technique and a finite volume technique was used to discretize the heat diffusion equation while the phase change process was modeled using the enthalpy porosity method. The results are portrayed in terms of temperature and heat absorption time history and the numerical and experimental results showed good agreement. The results illustrated that the higher the porosity the more stability of the thermal performance of the matrix composite. On the other hand, the thermal conductivity of the composite matrix acts sharply to increase or decrease its heat absorption rate.     

定热流边界下重力作用PCM熔化过程规律

为提升相变储热单元的相变材料（PCM）熔化速率,本文定义基于热源输入方向与重力方向的通用坐标,建立可视化实验装置与数学模型,探究定热流边界下夹角γ对方腔内PCM熔化的作用规律。结果表明,当夹角γ从0°增加到180°时,PCM熔化时间先增加后减少,最后轻微上升。当夹角γ为0°时,PCM以纯导热完成熔化;夹角为15°时,对应的熔化时间最长,相对纯导热过程增加了40.32%;夹角为120°时,对应的熔化时间最短,相对纯导热过程减少了63.11%。当夹角较小时,自然对流对PCM的整体熔化过程有抑制作用,只有在夹角大于一定数值时,自然对流才能促进PCM的熔化过程。此外,多工况下获取的最优夹角γ均在90°~180°,且相对更趋近90°。所以在实际工程应用中,规整相变储热单元的热源端最低点应该低于PCM端最低点。