太阳能热水相变炕体蓄放热性能及影响因素

提出一种太阳能热水相变蓄热炕的新型供暖系统,系统无须设置水箱,仅使用炕板与相变材料作为蓄热装置,可有效提高供暖效率。基于Fluent数值模拟平台,建立相变炕的二维非稳态传热模型,研究相变炕的蓄放热性能,并与混凝土炕的热性能进行对比;还分析了相变材料的相变温度和潜热对相变炕蓄放热性能的影响。结果表明,在设定工况下,与混凝土炕相比,上炕面的日间与夜间稳定温度分别提高2℃和4℃,上炕面最大温差由3.7℃降至0.8℃,全天得热量提高了66.36%。因此,相变炕具有上炕面温度较高、温度分布均匀、得热量大以及保温性能好等优点;提高相变温度,炕体得热量会有所减少,但对提升上炕面温度作用显著;增大相变潜热,可以显著提高炕体得热量,但对提升上炕面温度作用不明显。     

组合相变材料强化固液相变传热可视化实验

采用高清相机和红外热像技术，对组合相变材料融化-凝固循环过程与传热特性开展了可视化实验研究。以填充三种石蜡的相变蓄热腔体为研究对象，追踪了腔体内固液相界面的动态演化过程和温度分布的变化规律。在此基础上，考察了相变材料布置顺序对蓄热腔体热性能的影响，分析了组合相变材料蓄热腔体的相变行为及强化传热特性。结果表明，相变温度较高的相变材料应靠近加热壁面布置；组合相变材料蓄热腔体存在多个固液相界面现象，不同相变材料可同时融化/凝固；与单一相变材料相比，组合相变材料的应用改善了蓄热腔体各单元相变速率的均匀性，提高了平均相变速率；组合相变材料虽然降低了蓄热腔体的显热蓄热量，但减小了温度变化速率，增强了系统的稳定性，并显著增加了潜热蓄热量，有效提高了相变蓄热腔体的总蓄热量。     

纳米相变微胶囊在蓄热结构化填充床中的应用模拟

利用相变材料的潜热储能，是解决可再生能源不连续问题的有效途径之一。以钛酸四丁酯（TBT）为前体，采用界面水解-缩聚法制备了纳米相变微胶囊。纳米相变微胶囊的热导率提高到原材料的215%，约为0.43 W/（m·K），相变温度为42.4℃，相变潜热达到234.7 J/g，纳米相变微胶囊强化了相变材料的传热性能蓄热，适用于太阳能热水系统。建立了三维计算模型，利用Fluent软件对填充床进行了数值模拟，研究了顺排结构（SS）和叉排结构（CS）填充床的蓄/放热性能。分析了两种结构化填充床在不同流速下，液相率、温度场和蓄/放热功率的变化情况。结果表明，随着流速的增大，SS和CS的熔化/凝固速率均加快。在相同流速下，CS比SS熔化/凝固更快。SS和CS在不同的阶段升温速率不同，与SS相比，CS的温度变化更加均匀。在较低流速（2 L/min）下，SS和CS蓄/放热持续时间较长，变化较小。在不同的流速（2、4和6 L/min）下，CS的峰值蓄热功率是SS的1.7倍～1.9倍，峰值放热功率是SS的1.8倍～2.0倍。     

组合相变材料强化固液相变传热可视化实验

采用高清相机和红外热像技术,对组合相变材料融化-凝固循环过程与传热特性开展了可视化实验研究。以填充三种石蜡的相变蓄热腔体为研究对象,追踪了腔体内固液相界面的动态演化过程和温度分布的变化规律。在此基础上,考察了相变材料布置顺序对蓄热腔体热性能的影响,分析了组合相变材料蓄热腔体的相变行为及强化传热特性。结果表明,相变温度较高的相变材料应靠近加热壁面布置;组合相变材料蓄热腔体存在多个固液相界面现象,不同相变材料可同时融化/凝固;与单一相变材料相比,组合相变材料的应用改善了蓄热腔体各单元相变速率的均匀性,提高了平均相变速率;组合相变材料虽然降低了蓄热腔体的显热蓄热量,但减小了温度变化速率,增强了系统的稳定性,并显著增加了潜热蓄热量,有效提高了相变蓄热腔体的总蓄热量。     

硬脂酸/十八醇/乙酸钠复合相变材料蓄/放热性能

首次将无机相变材料乙酸钠和混合有机相变材料（硬脂酸和十八醇）复合，获得三元复合相变材料。有机和无机相变材料复合可有效解决无机相变材料在相变过程中存在相分离、过冷度大和有机相变材料热导率低的缺点。利用同心套管蓄/放热实验台测试了乙酸钠/硬脂酸/十八醇三元复合相变材料的蓄/放热性能，分析了流体流量及温度对相变材料蓄/放热过程的影响，并结合Fluent数值模拟和实验结果分析了相变过程中相界面的移动规律。研究结果表明，三元复合相变材料在蓄热过程中自然对流起主导作用，放热过程中导热起主导作用，蓄热所需时间小于放热所需时间。蓄热过程中，相变材料的上部相界面横向移动明显快于下部；放热过程中，相变材料的上、下部相界面均匀地径向移动。     

壳管式潜热蓄能系统换热特性

针对目前石蜡潜热蓄能系统效率低下的特点,构建了石蜡/膨胀石墨混合相变材料的潜热蓄能系统,研究了其蓄/放热特性,并与纯石蜡相变材料系统进行了对比分析,讨论了不同换热流体流量下的蓄/放热过程的时间周期。用焓法处理相变区域,对该潜热蓄能系统的整体蓄热过程进行数值模拟。研究结果表明,对于石蜡／膨胀石墨复合相变材料,其导热性能较纯石蜡有很大提高,但由于添加了膨胀石墨而减弱了蓄热中石蜡的对流换热。流量提高对蓄/放热速率有明显的改善。焓法模型能全面反映蓄能系统的换热与流动特性,数值计算的结果与实验数据吻合较好。     

铝制肋板式相变蓄热器蓄／放热特性的试验研究

介绍了一种新型铝制肋板式相变蓄热器,并以萘作为蓄热材料对其蓄／放热特性进了测试。分析了热流体的入口温度与流量对蓄热器蓄／放热特性的影响,以及蓄热器放置方式对蓄热器蓄/放热效果的影响。结果表明,肋板在蓄／放热过程中发挥了重要的作用;热流体的入口温度与流量对蓄／放热速率有重要的影响;蓄热器的性能采用竖直放置比水平放置更优。     

分户式低谷电蓄热供暖系统的蓄放热特性

提出基于相变材料（PCM）的分户式低谷电蓄热供暖系统,通过数值模拟及实验研究对其蓄放热特性和供暖性能做出全面评价。采用Fluent对相变蓄热供暖系统的蓄放热过程进行了数值模拟,分析了不同入口风速、不同入口风温和不同种类蓄热材料等因素对蓄热供暖系统放热性能的影响,通过实验研究验证了模拟工况的正确性。结果表明,入口风速对系统放热性能的影响较大,随着入口风速的提高,系统平均出风温度降低,瞬时供暖负荷增大;入口风温对系统放热性能的影响微弱;复合相变材料（CPCM）由于具有更高的热导率,比纯十二水硫酸铝铵更加适合作为相变蓄热供暖系统的蓄热介质。本文设计和研究的分户式低谷电相变蓄热供暖系统具有良好的蓄放热能力,可为相变蓄热在低谷电利用场景作出有益参考。     

中温相变蓄热系统强化传热方法研究进展

中温相变蓄热系统在太阳能热利用、余热回收等领域有广泛的研究与应用前景,但相变材料较低的热导率严重削弱了相变蓄热系统的热响应速率和蓄放热效率。针对这一问题,本文从提高传热系数、拓展传热面积、增大平均温差3个方面对近年来中温相变蓄热系统强化传热方法进行了综述。通过分析可以看出,通过导热增强填料对相变材料进行改性时,应注意填料对导热和对流的共同作用,综合考虑填料对热导率、蓄放热时间等性能的影响;直接式相变蓄热系统重量轻,传热效率高,适合应用在移动式相变蓄热车中;梯级相变蓄热系统符合能量梯级利用理念,蓄放热效率高。在未来研究中,对导热增强填料的进一步改性、直接式相变蓄热系统、梯级相变蓄热系统及多种技术协同强化传热的作用机理和强化传热效果还有重要研究潜力与价值。     

增稠剂对NH4Al(SO4)2·12H2O蓄放热性能的影响

利用电热恒温水槽、高低温交变试验箱搭建蓄放热实验平台,研究了9种增稠剂对NH₄Al(SO₄)₂·12H₂O蓄放热性能的影响,测试分析了NH₄Al(SO₄)₂·12H₂O改性后的循环稳定性能。结果表明,质量分数为2%的黄原胶、1%的瓜尔豆胶或1%的羟乙基纤维素均能较好改善NH₄Al(SO₄)₂·12H₂O的放热性能且对相变潜热的削弱程度不大,对应改性NH₄Al(SO₄)₂·12H₂O的主要参数变化为：熔点分别降低1.0℃、1.3℃、1.3℃,蓄热时长分别增加94%、35%、9%,蓄热相变平台分别增加125%、63%、5%,过冷度分别减小43%、45%、34%,结晶过程温度变化分别减小84%、87%、73%,放热时长分别增加27%、11%、50%,相变潜热分别减小5.8%、8.3%、4.1%。增稠剂对NH₄Al(SO₄)₂·12H₂O放热性能的改性效果会受到降解反应影响,而2%黄原胶的改性效果相对其他两种增稠剂较好,循环过程中改性材料的结晶过程温度始终保持在60℃以上。60次循环后,改性材料主要参数相比纯材料的变化为：熔点下降0.2℃,蓄热相变平台减小15%,蓄热时长增加13%,结晶过程温度变化减小87%,过冷度减小42%,放热时长增加36%,相变潜热减小1.6%。     

石蜡/纳米石墨复合相变储热材料的换热与放热效率

相变储热是提高能源利用率的重要手段之一,相变储热材料的换热系数与放热效率研究对太阳能高效利用具有重要意义。通过变换铝管管径、循环风速以及空气温度,计算出复合相变储热材料的换热系数及放热效率。结果表明:铝管管径不变,循环风速小于3m/s时,空气温度对换热系数影响很小,差值在1W/(m2·℃)左右;换热系数、放热效率都随风速的增大而有所提高,放热效率最大可达95.3%;随着管径增大,换热系数逐渐减少,放热效率却逐渐增大;适合石蜡/纳米石墨复合相变储热材料的最佳条件为管径30mm、循环风速3m/s以及空气温度90℃。     

硫酸钠水合盐相变蓄冷材料的制备及性能优化

针对空调系统应用场合,提出一种以十水硫酸钠（sodium sulfate decahydrate,SSD）为主材的相变蓄冷材料新型制备配方,并对材料的各方面性能加以优化。首先采用步冷曲线法确定成核剂比例,消除材料过冷现象,在此基础上研究分析了不同种类、含量的增稠剂[聚丙烯酸钠（PAAS）、聚丙烯酰胺（PAM）、羧甲基纤维素（CMC）、聚阴离子纤维素（PAC）、黄原胶（XG）]对材料相分离及相变潜热的影响,接着加入熔点控制剂氯化铵、氯化钾改变十水硫酸钠的相变温度,调配出满足空调温区的相变材料,最后加入膨胀石墨（expanded graphite,EG）进一步改善材料的导热性和稳定性,并进行了热循环测试。结果表明：添加质量分数3%的硼砂对降低材料过冷度效果最佳;添加质量分数1.0%~2.0%的PAAS可以消除材料的相分离现象,且对材料的相变潜热影响较小。SSD-BPA∶EG质量比为93∶7时材料具有较高的导热性和形状稳定性。经优化后复合相变蓄冷材料的相变温度为7.4℃,相变潜热为117.4J/g,热导率为1.876W/(m·K),经200次循环后材料的相变温度保持稳定,潜热衰减率为14.05%。     

Cu含量对高温相变材料Al-Cu合金热特性的影响

高温相变材料Al-Cu合金是蓄热性能最好的太阳能储存材料之一,而Cu含量对其热特性影响的相关研究未见报道。采用差示扫描量热法（DSC）和激光脉冲法（LFA）研究了Cu含量在7.4%~51.7%范围内的Al-Cu合金相变材料的相变温度、相变潜热、比热容、热扩散系数和热导率,并结合其金相组织对热力学性能变化规律的内在机理进行了分析。结果显示,当Cu含量在7.4%~51.7%范围内时,Al-Cu合金的相变温度在524.4~645.9℃范围内;随Cu含量的增加,Al-Cu合金的质量潜热呈递减趋势,而体积潜热却呈上升趋势。Al-7.4% Cu在熔化和凝固过程具有最大的质量潜热,分别为339.6、343.5 kJ·kg^-1。Al-51.7% Cu在熔化和凝固过程具有最大的体积潜热,分别为1179、1143 MJ·m^-3。当Cu含量在7.4%~51.7%范围内时,Al-Cu合金的比热容随Cu含量的增加呈递减趋势;当温度在25~500℃范围内时,Al-Cu合金的比热容随温度升高呈递增趋势。Al-7.4% Cu的比热容在25℃时为0.85 J·g^-1·K^-1,在500℃时达到最高值1.08 J·g^-1·K^-1。此外,Al-Cu合金的热导率随Cu含量的升高而降低,但即使Cu含量达到51.7%,其常温下的热导率仍然高达104 W·m^-1·K^-1。综合研究结果表明,Al-Cu合金作为高温相变材料具有在太阳能蓄热领域中应用的巨大潜力。     

相变储热的传热强化技术研究进展

相变储热技术具有储热密度大、相变温度稳定以及过程容易控制等优点,具有广泛应用前景。相变储热技术在应用中需完成热能的储存与释放过程,其传热特性直接决定应用效果。储热技术的传热强化主要包括三个方面：一是相变材料本身的导热强化;二是潜热型功能热流体的对流传热强化;三是储热器的传热强化。本文综述了国内外在相变储热技术的传热强化研究方面的进展,主要介绍了膨胀石墨、泡沫金属等复合相变材料的导热强化,相变微胶囊及相变微、纳米乳液潜热型功能热流体传热强化以及管壳式储热器、板式储热器、螺旋盘管储热器等储热器的传热强化。文章指出,膨胀石墨基复合相变材料具有高热导率、大储热密度以及良好的定型特性,且价格低廉,极具应用前景。纳米乳液功能热流体具有表观比热容大、流阻较小等优势,但存在稳定性较差、过冷度大等问题。板式储热器具有较大的传热面积、较高的传热功率,适宜应用于相变材料传热系统。但应用背景不同,针对不同场景提供不同储热器的选型及指导值得作进一步的研究。     

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。     

复合相变蓄热材料研制及性能分析

制备了一种复合相变蓄热材料,该蓄热材料是由两种相变材料(硬脂酸和石蜡油)组成,通过物理吸附的方法将其复合在固态支撑材料中,通过实验分析了所研制的蓄热材料的相变点、相变热、热稳定性及微相结构等性能。测试结果表明该蓄热材料具有较高的相变潜热和较好的热稳定性。     

相变微胶囊悬浮液喷淋换热特性实验研究

根据相变微胶囊储存和释放潜热的特殊性质,分别使用相变微胶囊悬浮液（MPCMS）和纯水作为喷淋介质,搭建了一个小型喷淋塔装置,其中相变微胶囊的芯材为正二十二烷(C₂₂H₄₆)。实验设定了五个喷淋温度(35、40、44、47、51℃)、三个空气流量(0.011、0.018、0.025 m³/s)和两种直径(SMD=80、240 μm)的大、小液滴作为实验变量,探究了上述两种介质与空气之间的换热特性。实验结果表明：相变微胶囊的过冷会影响换热过程。常温常湿条件下,对于小液滴,当空气流量为0.018、0.025 m³/s时,喷淋温度为44、47℃的MPCMS比相同温度下的纯水更能促进换热;当空气流量为0.011 m³/s时,喷淋温度为44℃的MPCMS比相同温度下的纯水更能促进换热。对于大液滴,在三种空气流量下,喷淋温度为44℃的MPCMS比相同温度下的纯水作为喷淋介质时换热效果更好。     

相变微胶囊悬浮液喷淋换热特性实验研究

根据相变微胶囊储存和释放潜热的特殊性质,分别使用相变微胶囊悬浮液（MPCMS）和纯水作为喷淋介质,搭建了一个小型喷淋塔装置,其中相变微胶囊的芯材为正二十二烷(C₂₂H₄₆)。实验设定了五个喷淋温度(35、40、44、47、51℃)、三个空气流量(0.011、0.018、0.025 m³/s)和两种直径(SMD=80、240 μm)的大、小液滴作为实验变量,探究了上述两种介质与空气之间的换热特性。实验结果表明：相变微胶囊的过冷会影响换热过程。常温常湿条件下,对于小液滴,当空气流量为0.018、0.025 m³/s时,喷淋温度为44、47℃的MPCMS比相同温度下的纯水更能促进换热;当空气流量为0.011 m³/s时,喷淋温度为44℃的MPCMS比相同温度下的纯水更能促进换热。对于大液滴,在三种空气流量下,喷淋温度为44℃的MPCMS比相同温度下的纯水作为喷淋介质时换热效果更好。     

相变微胶囊悬浮液储能系统放冷特性实验研究

利用相变材料定温储能特性,搭建了以水为换热流体、相变微胶囊（MPCM）悬浮液为储能介质的潜热储能系统。采用放冷速率、相变完成率、单位体积放冷量和对流传热系数表征实验系统的放冷特性,通过该潜热储能系统与以纯水为工作介质的显热储能系统的对比,分析了循环水体积流量以及搅拌速率对系统放冷性能的影响。结果表明：MPCM主要在17~19℃范围内发生相变,当悬浮液温度到达20℃时,其相变完成率接近90%;增大循环水流量可以提高放冷速率,循环水体积流量为6 L·min^-1时,MPCM悬浮液的放冷速率在相变区间最高可达1.52 kW,相较于显热储能系统提升了70%;在0~200 r·min^-1的范围内,增大搅拌速率可增大MPCM悬浮液的单位体积放冷量和对流传热系数,搅拌速率为200 r·min^-1时,MPCM悬浮液的单位体积放冷量和对流传热系数分别为73.86 MJ·m^-3和2176 W·m^-2·K^-1,比显热储能系统分别高1.66倍和1.87倍。