卧式套管潜热蓄热单元偏心与肋片结构优化模拟

利用偏心布置增强相变蓄热单元内部自然对流是提高相变蓄热系统性能的新思路,为了更深入地研究偏心布置对相变蓄热系统性能的影响,基于焓-孔隙率法建立了卧式套管相变蓄热单元的三维数学模型,并利用Fluent软件对环形空间相变材料熔化过程进行数值模拟,通过对熔化过程流场、液相率及温度云图的分析,将熔化过程划分为三个阶段：导热主导的初始阶段,随后是自然对流和导热的混合作用的阶段,以及导热再次占主导地位的最终阶段,并将相变材料环形空间划分为两个区域,据此提出新的评价参数“偏心面积比”。结果表明：硬脂酸作为相变材料时较佳的偏心面积比位于16∶1附近,熔化时间相对于同心布置缩短了45.8%,但同时会使蓄热单元?效率略有降低,并且预测对于其他材料,预期的最佳偏心面积比与使用材料的自然对流强度和导热能力之间的比值有直接相关。利用偏心结构与肋片结合的方法进一步强化传热,比较了螺旋肋、十字肋和X形肋三种肋片,发现X形肋具有较佳性能,与相应偏心无肋结构相比熔化时间缩短了36.7%,比螺旋肋和十字肋结构分别缩短了20.3%和7.1%。     

层叠式高温相变蓄热系统传热特性的实验研究

为研究层叠式高温相变蓄热系统的传热特性,采用二元熔盐Solar Salt(质量比NaNO_3:KNO_3=6:4)为相变材料,以空气为换热介质,记录不同风速下蓄热箱体内部的温度变化。通过层叠式高温相变蓄热系统的放热实验,分析蓄热箱体内部蓄热单元的传热特性,进而对蓄热箱体内部传热效率低的区域进行传热优化。通过在相变材料Solar Salt中添加不同质量分数的膨胀石墨,提高相变材料的导热系数,进而改善传热效率低的区域。实验表明:在蓄热箱体内部,靠近出风位置的蓄热单元A2降温到200℃所需时间分别比靠近进风位置的蓄热单元B2和C2多10.5%和37.4%。为解决靠近出风位置的A列蓄热单元传热效率低的问题,在A列蓄热单元的Solar Salt中添加膨胀石墨,可以显著改善蓄热箱体内部的传热情况,明显提高了系统的换热能力,且风速为1.53 m/s时相邻配比材料效率提升最大。     

增强石蜡相变材料传热性能的实验研究

添加高导热颗粒和增大换热面积是当前增强石蜡相变材料传热性能的主要研究方向。以此为基础搭建试验台结合数据采集系统对石蜡在圆管外的熔化凝固过程进行了实验测试,并对各测点的温度变化趋势进行分析,研究了添加不同纳米颗粒和加入金属肋片对换热过程的影响。结果表明:在石蜡溶液中添加纳米颗粒能够起到减小过冷度的效果同时有效增强相变材料的传热性能,添加纳米氧化铜颗粒的传热性能增强效果要优于添加氧化锌颗粒和二氧化硅颗粒;在储热系统中加入肋片能够显著提高相变储能系统的热性能,强化换热过程。     

基于火积理论的多级套管式相变蓄热系统优化

本文基于最小火积耗散热阻原理,在考虑相变材料导热热阻以及非稳态传热过程的基础上,对多级套管式相变蓄热系统的融化温度进行了数值优化,获得了最优融化温度分布。在此基础上,研究了相变材料导热系数和传热管长度对最优融化温度、火积耗散热阻和平均蓄热速率的影响。研究结果表明,与现有理论优化方法相比,本文提出的数值优化方法具有更好的适用性;优化后多级套管式相变蓄热系统可有效提高相变蓄热系统的平均蓄热速率,降低火积耗散热阻;随着相变材料导热系数增大和传热管长度增加,多级套管式相变蓄热系统最优融化温度的温差愈加明显,其强化传热性能呈上升趋势。     

相变蓄热复合传热强化技术综述北大核心CSCD

相变材料(PCM)通过在相变过程中吸热或放热实现热能的存储与释放。相变材料在热能存储和热管理领域凭借其相变区间温度稳定、储能密度大受到了广泛认可。然而,相变材料普遍存在热导率低的问题,需要结合传热强化技术进行改善。在采用某一种强化技术的基础上,两种或多种传热强化技术相组合的“复合强化技术”成为目前传热强化与相变蓄热性能改善的研究热点。本文通过对相关文献的分析,综述了目前复合传热强化技术的研究进展,包括以翅片为基础,分别结合热管、纳米颗粒、多孔材料和梯级蓄热,以及多孔材料结合热管、纳米材料和梯级蓄热等多种复合方式。分析表明:通过将热管与翅片或多孔材料混合使用,可以达到传热强化最佳效果;纳米颗粒与翅片或多孔材料的混合使用比同等条件下单独使用纳米颗粒更有效;采用梯级蓄热与翅片或多孔材料相结合相较于单独采用梯级蓄热具有更快的蓄/放热速率和更加均匀的换热流体出口温度。建议对其他可能的复合传热增强技术进行深入研究,并通过实验验证、优化蓄热系统的结构设计和具体参数探讨对蓄热性能的影响。     

相变贮热管管内强化传热的数值研究

以管壳式相变换热器为例,研究了肋片对增强贮热管管内传热的影响。建立了内部设置肋片的贮热管放热过程的数理模型,分析比较了不同的肋片参数,如肋片布置密度、长度及厚度等因素对贮热管放热效果的影响,并通过瞬态传热过程的计算,确定了与多种肋片布置方式所对应的相变贮热管的有效导热系数。     

固液相变蓄热技术的研究进展

综述了相变蓄热材料、相变传热问题求解方法、典型相变传热过程以及相变潜热蓄热系统(LHTES)优化设计及强化传热等诸多固液相变蓄热技术相关问题的研究进展情况     

蓄热式管壳换热器传热特性研究

针对热电联产机组供热期发电负荷受供热量限制,机组调峰能力下降、电力系统弃风弃光现象严重的问题,设计了一种新型蓄热式管壳换热器。利用相变材料蓄/放热过程中温度接近恒定、释放潜热量大等优点,选取石蜡为相变材料,换热器相变区作为换热单元,采用控制变量法,针对传热流体流速、相变材料导热系数及相变层厚度等关键因素,对换热单元的蓄/放热过程进行数值模拟。结果表明:提高传热流体流速可增强换热单元蓄热能力,缩短相变材料完全熔化时间,放热过程中为保证换热器输出端热量,应适当选取传热流体流速;使用复合材料提高相变材料导热系数能够增强换热单元的换热能力,在相同传热流体流速下使换热单元平均传热系数较纯石蜡工况提升2倍以上;增加相变层厚度在放热过程中可延长传热流体出口温度维持的时间。     

相变蓄热供热装置热性能试验研究与系统经济性分析

为分析相变蓄热装置在充热和放热过程中的热性能,设计并搭建一套相变蓄热供热装置中试实验系统,研究主要运行参数对相变蓄热装置热性能的影响;在此基础上,结合项目案例,对相变蓄热供热系统经济性进行分析。结果表明：相变材料(Phase Change Material, PCM)凝固过程中的传热主要受相变介质内部导热控制;而在其熔化过程中自然对流对传热起重要控制作用;蓄热装置充热速率快于放热速率。提高传热流体流量有助于增强PCM中的热传递,缩短充/放热时间,但蓄热装置内PCM温度分布均匀性有所降低;为降低系统能耗,提高储放热效率,优先选用小流量进行充/放热。该相变蓄热供热项目的动态投资回收期为3.55年,具有良好的经济性。研究结果可对相变蓄热供热系统的设计及应用推广提供参考依据。     

新型无水箱相变蓄热式太阳能集热器及热性能研究

设计了一种新型无水箱相变蓄热式太阳能集热器,其主要由太阳能真空集热管、相变储热球、电加热棒和换热管道组成。实验以复合三水醋酸钠为相变材料,进行无水箱相变蓄热式太阳能集热器的热性能研究,结果表明:在总容积为34 L的集热管组中添加20%的相变储热球后,管内单位容积蓄热量增加,总蓄热量达8.2 MJ;放热过程高温段延长,放热量增加1.98 MJ,有效放热率为0.81;经夜间保温测试,集热管组温降率为1.4℃/h。     

正交各向异性相变材料的无网格法传热模型及应用

利用无网格迦辽金（EFG）法建立正交各向异性相变材料的传热计算模型,基于该模型编程完成各向异性材料太阳能相变蓄热水箱和管壳式相变蓄热单元的相变传热分析,并探讨热导率因子和材料方向角对复合材料相变传热特性的影响。研究表明：在相同节点布置下EFG法的温度场和相界面计算精度均高于有限元法,EFG法在动态相界面追踪方面具有明显优势。增大热导率因子并减小材料方向角可有效增强复合相变材料传热性能,加快相变速度,提高太阳能相变储能装置的蓄/放热效率。对于各向异性材料太阳能相变蓄热水箱和管壳式相变蓄热单元,热导率因子和材料方向角的合理取值范围分别为4~6和0°~15°。     

高温熔融盐纳米固液相变复合材料研究进展

熔融盐是一种非常有前景的高温液体传热蓄热工质,在太阳能热发电、余热回收及工业热利用方面有显著的优势,但是熔融盐本身存在导热性能不高等问题。本文对纳米复合相变材料固液相变储能过程的若干最新研究进行了回顾,综述了熔融盐纳米固液相变复合材料国内外研究现状及发展趋势,最后对纳米复合相变材料固液相变储能过程的未来发展和重点研究方向进行了展望,认为主要解决纳米复合材料内熔化相变传热双温度模型的建立及求解、NC-PCM的制备工艺、金属纳米粒子的团聚性及NC-PCM蓄热器的热循环实验等方面的问题是未来研究的重点。     

潜热储热系统强化传热研究进展

近年来,潜热储热系统在太阳能和工业废能的利用中发挥着极其重要的作用,因此用于潜热储热的相变材料受到普遍关注.文章对国内外潜热储热系统众多强化传热技术进行了综述与讨论.     

有机相变储能材料的研究进展

有机相变储能材料（PCMs）具有储能密度高、腐蚀性小、性能稳定、毒性小、不易出现相分离和过冷现象等优点,成为目前蓄能技术领域主流应用材料之一。本文主要综述了各类有机PCMs的材料特性,针对其导热系数普遍较低的共性问题,介绍了通过添加高热导率材料和封装PCMs两种强化传热途径的最新研究成果,并浅谈了有机PCMs在建筑节能、太阳能利用及冷却电子设备等中低温储能技术中的实际应用情况。最后,总结了有机PCMs目前存在的一些瓶颈问题及未来研究的重点方向。     

Review on storage materials and thermal performance enhancement techniques for high temperature phase change thermal storage systems

Designing a cost-effective phase change thermal storage system involves two challenging aspects: one is to select a suitable storage material and the other is to increase the heat transfer between the storage material and the heat transfer fluid as the performance of the system is limited by the poor thermal conductivity of the latent heat storage material. When used for storing energy in concentrated solar thermal power plants, the solar field operation temperature will determine the PCM melting temperature selection. This paper reviews concentrated solar thermal power plants that are currently operating and under construction. It also reviews phase change materials with melting temperatures above 300 °C, which potentially can be used as energy storage media in these plants. In addition, various techniques employed to enhance the thermal performance of high temperature phase change thermal storage systems have been reviewed and discussed. This review aims to provide the necessary information for further research in the development of cost-effective high temperature phase change thermal storage systems.     

Review on heat transfer analysis in thermal energy storage using latent heat storage systems and phase change materials

Thermal energy storage (TES) is a technology that stocks thermal energy by heating or cooling a storage medium so that the stored energy can be used later for heating and cooling applications and for power generation. TES has recently attracted increasing interest to thermal applications such as space and water heating, waste heat utilisation, cooling, and air conditioning. Phase change materials (PCMs) used for the storage of thermal energy as latent heat are special types of advanced materials that substantially contribute to the efficient use and conservation of waste heat and solar energy. This paper provides a comprehensive review on the development of latent heat storage (LHS) systems focused on heat transfer and enhancement techniques employed in PCMs to effectively charge and discharge latent heat energy, and the formulation of the phase change problem. The main categories of PCMs are classified and briefly described, and heat transfer enhancement technologies, namely dispersion of low‐density materials, use of porous materials, metal matrices and encapsulation, incorporation of extended surfaces and fins, utilisation of heat pipes, cascaded storage, and direct heat transfer techniques, are also discussed in detail. Additionally, a two‐dimensional heat transfer simulation model of an LHS system is developed using the control volume technique to solve the phase change problem. Furthermore, a three‐dimensional numerical simulation model of an LHS is built to investigate the quasi‐steady state and transient heat transfer in PCMs. Finally, several future research directions are provided.     

Development and research status on the technology of direct contact thermal energy storage

直接接触式蓄热技术利用换热工质与蓄热材料接触并形成对流换热的特点,强化了蓄热器内的换热效果,提高了蓄放热速率,在国内外受到了广泛关注。本文针对直接接触式蓄热技术,从蓄热材料、蓄热器和应用案例三个方面对该技术的发展和研究现状进行了总结,将直接接触式蓄热技术常见材料分为了有机类材料和无机类材料,并对材料的热物性参数和性能进行了比较,讨论了过冷、相分离、导热系数较低和热稳定性等影响材料性能的关键指标。在蓄热器方面,总结了直接接触式蓄热器内材料熔化和流动规律、归纳了直接接触式蓄热器传热和优化方法,针对目前解决直接接触式蓄热器材料沉积问题的措施进行了分析,并给出了建议措施。最后,结合示范工程或商业案例对直接接触式蓄热技术的应用情况进行了回顾,旨在总结应用经验,为该技术的进一步推广提供依据和支持。     

太阳能生活热水系统相变储能研究进展

该文阐述了太阳能生活热水（SDHW）系统用相变材料的选择与封装情况,综述了相变材料在SDHW系统水箱、太阳能集热器和SDHW系统循环中的储能及其改进与强化换热研究进展情况,并对今后SDHW系统相变材料应用发展方向提出建议和展望。研究表明,石蜡与三水醋酸钠应用于SDHW系统水箱和集热器的研究较为广泛,其封装形式主要是的塑料、铝、不锈钢的宏封装,形状为管、柱体、球等,且相变材料加入到传统的SDHW系统中均能提高太阳能生活热水器的储热性能,其储热性能还有较大的提升与改进空间。     

应用于日光温室墙体的相变材料热物性优化研究

建立日光温室计算传热模型,以室内空气温度和墙体内表面温度为指标,通过实验方法验证了所建立的传热模型准确性,最后分析相变材料相变温度、相变焓、导热系数、密度等热物性对室内最低温度和相变蓄热率的影响规律,确定被动式相变蓄热墙体和主-被动式相变蓄热墙体的最佳相变材料热物性,阐明了实际应用时相变材料选择原则。研究结果表明,所建立的日光温室传热模型具有较高准确性,可用于日光温室墙体相变材料热物性优化;主-被动式相变蓄热墙体最佳相变材料的相变温度为27 ℃,相变焓为200 kJ/kg,导热系数为0.35 W/（m·K）,密度为440 kg/m³,被动式相变蓄热墙体最佳相变材料的相变温度为26 ℃,相变焓为200 kJ/kg,导热系数为0.35 W/（m·K）,密度为792 kg/m³;最佳相变材料热物性应用时,2种墙体室内最低温度均可达到15.0 ℃,但是被动式相变蓄热墙体的相变蓄热率较主-被动式相变蓄热墙体减小29.5%。本研究可为相变材料在日光温室的高效利用提供参考。     

基于石墨泡沫强化的相变储能材料研究进展

大多数相变储能材料导热性能差是导致其不能推广应用的一个重要因素,因此,目前相变材料研究的重点是提高相变材料的等效导热系数。石墨泡沫由于其特殊的微蜂窝三维结构,使其具有良好的传热性能,在储能领域有很好的应用前景。国内外学者对利用石墨泡沫的强化相变传热进行了一些研究,本文主要介绍了近几年石墨泡沫/相变材料的国内外实验研究和数值模拟研究进展和存在的问题。