多级并联相变管壳式换热器传热性能分析

在管壳式换热器中并联填充多级相变材料或填充单相变材料,比较两种传热装置的传热性能,分析相变材料在两种换热器的换热过程中的熔化特性、换热速率。结果显示:对于相变材料三级并联填充的换热器,相变材料完全熔化时间沿换热内管(热工质流体)轴心往外逐渐增加;在所有相变材料均完成相变之前,其三级并联相变材料的熔融前沿呈曲线状;相变材料三级并联填充的换热器的最高换热速率是单相变材料填充的1.03倍;热工质流体入口温度不变时,增加热工质流体流量可以在一定限度上增加相变材料三级并联填充的换热器的换热效率;但热工质流体流量过大会在一定限度上降低相变材料三级并联填充的换热器的换热效率。

石蜡/碱改性硅藻土/膨胀石墨复合相变储热材料的制备及性能

通过碱处理,优化了硅藻土(DIA)的孔隙结构,提高了孔隙率,增加了石蜡(paraffin)负载量。通过直接浸渍法制备了新型性状稳定的石蜡/碱改性DIA/膨胀石墨(EG-alDIAP)复合材料,并研究了其结构与性能的关系。结果表明,复合相变材料的石蜡负载量从47.4%提高到了61.1%,进而提高了复合材料的储热性能;向改性DIA中添加膨胀石墨(EG)提高了复合材料的传热能力,添加质量分数10%EG时导热系数提高了113%(从0.276 W·m^(-1)·K^(-1)提高到了0.589 W·m^(-1)·K^(-1))。随着EG含量的升高,复合相变材料的相变潜热有所增加,但化学相容性、稳定性等无明显变化。含10%EG的石蜡/碱改性DIA复合材料具有可靠的储能性能、良好的温度调节性能和蓄放热能力。

二氧化碳相变爆破致裂机理与应用研究进展

煤岩体结构改造是解决煤矿许多技术难题的共性核心科学问题,二氧化碳相变爆破因其安全可控、能量易调节等优点成为煤岩体致裂的有效手段之一。为确定二氧化碳相变爆破致裂机理,扩展相变爆破致裂工程应用,分析了二氧化碳相变爆破原理和致裂器材与装备,统计比较不同方式相变爆破能量计算方式,相较于传统炸药爆破,相变爆破属于一种低能量致裂方式;通过分析二氧化碳相变射流传播特征,探究相变爆破中等应力起裂和高压气体协同作用方式,煤岩体在中等冲击作用下,受到拉应力破坏产生径向初始断裂,并在冲击波和卸载波综合作用下形成多重起裂特征,高压气体在多重裂隙中进一步扩展,驱动裂隙向外扩展,明确了相变爆破应力气体协同致裂过程;进一步研究了泄能方向、煤岩体性质、爆破参数、初始地应力、钻孔布置参数和钻孔切槽特性等因素对相变爆破致裂效果的影响,泄能方向对煤岩体破坏起到直接作用,引发非对称损伤破坏,煤岩体抗压强度和致裂孔间距是影响致裂效果的关键因素,初始地应力、钻孔布置参数和钻孔切槽特性等影响裂纹发育扩展特征;在相变爆破致裂工程应用方面,揭示了相变爆破多重裂隙渗流特征,确定了高瓦斯煤层致裂增透效果,对比了预裂前后煤体截割特征,验证了预裂提升块煤率可行性,并探究了相变爆破预裂顶板垮落特性。针对相变爆破致裂应从多速率冲击破碎、损伤破坏多尺度分析、致裂过程多物理场耦合及延时相变爆破技术等方向进一步扩展研究,拓宽二氧化碳相变爆破应用场景。

多孔基供暖复合相变材料的应用研究进展

介绍了相变材料的分类、选择及封装载体,阐述了多孔基相变材料在供暖领域的应用进展。应用研究表明,将相变材料应用于建筑围护结构可以稳定室温波动,减少供暖负荷,降低能源消耗。将相变材料与供暖装置相结合,可以有效提高供暖效率,减少热损失,降低碳排放。被动蓄热和主动供暖系统结合具有更好的供暖效果,二者的最佳优化组合具有重要的研究意义和应用前景。

石蜡与低熔点合金双级联相变材料强化板翅式散热器换热性能的数值模拟

相变散热技术可以通过相变材料的物态变化,有效吸收或释放热量,从而实现被动式热管理。本文建立了一种板翅式相变散热器的结构模型,研究级联相变技术的相变传热过程及优化传热性能的措施,重点分析了相变材料(PCM)的组合方式、翅片结构以及不同的PCM体积比工况对相变散热器传热性能的影响。研究结果表明,改变PCM的组合方式对相变材料传热过程有显著影响,对于采用双PCM的级联相变散热器,PCM1和PCM2呈相变温度递减排列具备更优的热管理性能;当翅片数为16时,具备更低的工作温度,并且相比于四翅片结构的相变散热单元,两种级联PCM组合的相变散热单元的凝固时间分别缩短了25.3%和22.5%。因此,当翅片数为16及翅片厚度为0.5 mm时,热管理性能较优;采用石蜡和低熔点合金材料,当PCM体积比为1∶2时,两个临界温度下的热管理时间分别延长了17.2%和15%,温升速率也随着低熔点合金所占体积增多而逐渐减小,综合考虑热管理时间和温升速率,可知PCM体积比为1∶2时级联相变散热器的热管理性能较优。

相变墙体应用于办公建筑的多目标优化设计

以寒冷地区某办公建筑为例,基于TRNSYS建立了相变材料应用于建筑南外墙内侧的仿真模型,利用jEPlus+EA平台的NSGA-Ⅱ算法对建筑冷、热负荷进行了多目标优化设计,应用乌托邦点法对帕累托前沿解集进行了均衡决策,并对优化方案的相变时间和节能率进行了分析。结果表明:寒冷地区典型办公建筑合理的相变温度范围为17~25℃;以南外墙内侧采用相变材料的房间为计算基准的年均节能率可达7.2%,建筑冷、热负荷可分别减小7.78%、6.04%;最优解方案对于建筑热负荷的增益更高。

轻质相变混凝土的研发及物理力学性能实验研究

以SiO_(2)气凝胶粉末为基体材料,低温相变石蜡为相变材料制备定型复合相变材料;采用傅里叶红外光谱仪、差示扫描量热仪、同步热分析仪及扩散-渗出圈测试对定型复合相变材料进行表征分析及稳定性检验。结果表明:石蜡吸附质量为75%时制备的定型复合相变材料最为稳定,SiO_(2)气凝胶与石蜡之间仅为物理吸附,定型复合相变材料的相变温度为26.52℃,相变潜热为56.2 J/g。将其掺入EPS混凝土,水泥净浆流动度实验限定定型复合相变材料掺加量在16%附近时,混凝土拌合物工作性能最佳。进行物理力学性能测试,发现随着定型复合相变材料的掺入,试件抗压、抗折、抗劈裂强度均有一定程度的提高。通过热箱储热性能试验,掺加定型复合相变材料的试件升降温曲线斜率及峰值均有降低现象,表明轻质相变混凝土具有很好的温控性能,可用于节能建筑围护体系。

相变储能材料在建筑围护结构领域的应用及研究进展

相变材料(PCM)具有结构稳定性好、高储能密度、可控相变温度、较大的相变潜热以及出色的储热能力,被用作建筑物中有效的潜在储能元件,以改善由温室气体排放引起的严重环境问题,可有效地减缓燃料和电能消耗,同时在建筑围护结构中保持舒适的环境,最大限度地减少温度波动。简述相变材料的分类及其选取,相变材料的封装工艺,重点介绍了相变储能材料在围护结构领域的研究与应用,指出了影响相变围护结构效率的因素,对其未来的研究方向进行了展望。

有机基相变材料的研究与应用

相变材料(PCM)是一种可逆的储能材料,在实际使用中可以周期性的以相变潜热的形式储存能量以达到节能的效果。针对相变温度为中低温的有机基相变材料(OPCM)进行了探讨,其具有长期的化学稳定性,无污染且节能、高效、无毒无腐蚀性。归纳综述了国内外有机基相变材料的制备以及OPCM包封技术的最新研究成果,根据材料的特点介绍了降低可燃性的方法以及在各个领域的最新应用。

相变:生产方式如何塑造财产规则

当前关于数字时代财产权利的讨论持续不断,基本上可以分为两种类型:一种是针对较为具体的虚拟物品(如信息内容、游戏装备、账号、数据、虚拟币等),在特定场景中沿着既有法律框架或概念进行分析;一种则试图在原理上阐明数字时代究竟何种对象能够适用财产规则进行更好的保护,以及这种财产规则的构成要件为何,如按照“权利束”或“模块化”框架加以应用。有必要转换角度提问,即成熟的财产权利制度出现,不是因为法律研究主张为何种事物或利益赋予财产权就能自动实现,而是赋权的外部环境成熟了,才会催生相关利益主体提出主张,并推动相关利益在法律上得到确认和保护。违背生产秩序的产权结构和财产规则不可能出现在数字时代,在生产方式进行巨大调整时,财产规则和其他部门法律规则一样,都面临着双重历史任务:一是“破”,即挑战并打破传统制度,允许要素超越既有生产过程低成本流动;一是“立”,即根据生产方式要求树立反映特殊性的新制度,重新商定哪些要素和利益允许参与者继续占有和使用,划定边界。

基于六水氯化钙的单相变材料热二极管的实验研究

基于相反传热方向上相变程度不同引起的传热形式和系数差异设计的相变材料热二极管被认为是有潜力的热管理器件.然而多种材料的使用或仅依靠数值模拟的研究使其结构复杂或理想化,降低了其实际应用的可能性.因此,本文结合材料固液相变和自然对流过程的传热形式和传热系数变化,提出了一个仅含有CaCl_(2)·6H_(2)O单相变材料的简单热二极管结构,并制备了相应的器件,搭建了稳态热通量测试系统用于实验研究,其测量结果与文献记载值相近,具有良好的准确度,实验研究了冷热端温差和正反传热方向对热二极管热整流效果的影响规律.结果表明:热二极管的热通量随冷热源温差的减小而降低,正向和反向分别沿逆重力和重力方向时,热整流比最高可达1.58,最佳冷源温度范围为20-25℃,接近室温,所提出的相变材料热二极管结构在建筑节能和热管理等方面具有一定的应用潜力.

不同应变率加载下硅的高压相变行为

高压相变是凝聚态物理、地球与行星科学、材料科学等领域关注的核心问题之一,而加载应变率是相变动力学过程的重要影响因素。由于动态加载下物质相结构原位诊断技术的不足以及宽广加载应变率下物质高压相变系统实验研究的缺失,难以开展基于原子尺度物理机制的相变动力学过程建模和数值模拟研究。由于硅的高压相极其丰富,且拥有大量亚稳相,动力学因素在其高压相变过程中发挥着至关重要的作用,因此,硅是研究高压相变动力学的理想材料,对普适相变动力学过程的理论建模具有重要意义。以硅为例,介绍其在准静态、中等应变率和高应变率加载下的相变行为,探讨加载应变率对其高压相变行为的影响。

高应变率下不同初始相变温度NiTi合金的力学响应

为获得高应变率下不同初始相变温度NiTi合金的屈服应力等基本物理特性和力学响应规律,采用10^(−3)s^(−1)应变率下准静态压缩与拉伸、10^(5)s^(−1)应变率下准等熵压缩及10^(7)s^(−1)应变率下冲击加载实现跨量级的不同应变率加载,高应变率加载实验中通过控制样品初始温度实现不同初始相态NiTi合金的力学响应测量。结果显示,初始马氏体相和初始奥氏体相NiTi合金的准静态加载应力-应变曲线中均出现2次模量变化,初始马氏体相中的模量变化由晶体重定向和马氏体相塑性变形引起,初始奥氏体相中的模量变化由马氏体相变和相变后塑性变形引起。准等熵加载下,初始马氏体相NiTi合金的Lagrangian声速随粒子速度增大而增大,未观察到间断等非线性变化;而初始奥氏体相中声速曲线存在间断,声速由初始横波值间断减小至体波声速后再随粒子速度线性增大。冲击实验中,初始马氏体相NiTi合金后自由面速度约34 m/s处出现双波结构,而将样品初始温度升至402 K后再冲击加载,则在约100 m/s处出现双波结构,二者速度曲线拐点分别由马氏体相弹塑性屈服和奥氏体相塑性屈服引起;在初始奥氏体相NiTi合金冲击实验中,在样品后自由面速度达到220~260 m/s时才出现显著的奥氏体相弹塑性转变。随着应变率从约105 s^(−1)升高至10^(7) s^(−1),相同组分奥氏体相NiTi合金的弹性极限由约2 GPa增大至约4 GPa,10^(7) s^(−1)应变率下,随着初始样品温度升至402 K,弹性极限降至1.7 GPa,表明NiTi合金的弹性极限存在显著的温度和应变率效应。

考虑流体相变效应的粗糙裂隙非线性渗流换热机理

三维粗糙裂隙渗流换热机理的研究,对提升地下热储层的热提取率意义重大。当前,热开采过程中的多场耦合问题已取得了丰富的成果,但热开采过程中流体的相变作用对裂隙渗流特性及传热变化的影响却鲜有涉及。为剖析流体相变作用下的非线性渗流换热机理,以三维粗糙裂隙为研究对象,基于Fluent软件建立单相与多相流-热耦合模型,对比是否考虑相变作用的不同入口流速、入口温度和壁面温度时的局部换热系数分布特征。结果表明未考虑相变作用时,壁面局部粗糙程度控制局部换热系数的分布特征;基于Forchheimer公式,得知流体传热过程中非线性渗流特性显著。考虑相变作用后,流体呈现类似剪切稀释流体的特征,而气相体积分数则对系统换热过程起主导作用。因此,考虑流体的相变效应可以更准确地揭示热开采过程中的渗流特征和热提取效率的演化机理。

真空羽流中相变过程DSMC仿真方法研究

真空燃气羽流快速膨胀过程中,其中的H_(2)O和CO_(2)等组元容易发生凝结相变现象.为了研究真空羽流中水蒸气的相变产物冰晶对羽流红外信号、侵蚀等污染效应的影响,开展羽流中相变过程的数值模拟方法研究.基于稀薄两相羽流双向耦合DSMC方法,采用经典成核理论和液滴生长理论,建立了真空羽流的相变过程的数值仿真方法.对水蒸气在拉法尔喷管中自凝结试验的仿真.通过与试验结果的对比,对经典成核理论进行了修正,对成核率给出了10^(3)的修正因子,可以得到与试验符合的仿真结果,表明对成核理论修正后,可以应用到稀薄流动的数值模拟中.对某发动机真空羽流相变流场的仿真,在核心区得到与CFD相近的结果.仿真结果表明,在羽流流场中,由于相变,存在较多的冰晶颗粒,在计算条件下,羽流核心区冰晶数密度最大达到10^(15) m^(-3)的量级,冰晶直径在约10^(-8) m的量级.在真空环境下,随着羽流向倒流区无限制膨胀,倒流区流场内也会出现一定数量的冰晶颗粒,数密度从10^(7)~10^(10)m^(-3)的量级,直径在5.0×10^(-10)m的量级.颗粒在空间的数密度、尺寸等分布与气相分布存在差异,需要开展相关污染效应的影响研究.

三套管式加肋相变蓄热单元的强化传热特性

相变蓄热技术在利用工业余热、太阳能等解决热能与用户之间的供需不平衡问题方面起着重要的作用,然而受相变材料自身物性的限制,蓄热熔化时仍存在蓄热速度低、熔化不均匀等问题。本文以三套管式相变蓄热单元为基本结构,利用FLUENT软件模拟研究了在考虑自然对流情况下添加纵向肋片的不同参数(肋片数量、长度、厚度、偏心距及肋片排布方式)对三套管式相变蓄热单元蓄热性能的影响。结果表明,三套管式蓄热单元内外双壁面共同加热,与普通套管式蓄热单元相比,换热面积增大,相变材料全部熔化需要的时间缩短;加装纵向直肋片的三套管蓄热单元的熔化速度进一步加快,相同数量肋片下,肋片的长度和厚度是影响蓄热单元蓄热量与平均蓄热速率的主要因素,肋片长度占相变材料区域径向长度的50%时,蓄热单元的熔化速度加快幅度明显且蓄热量与平均蓄热速率较高。通过优化设计,发现内管向下偏移距离e对相变材料的熔化过程作用显著,偏心距离较短时相变材料完全熔化所需时间最少,相比光滑管蓄热单元,相变材料的熔化速率提升了48.5%,偏移距离过长则会延长蓄热时间;通过加密蓄热单元底部外层肋片的排布,蓄热单元的熔化进程有不同程度的加快,总体蓄热速率较原肋片结构有所提高。

不同温度条件下相变石蜡力学性能分析

对3种不同相变温度的石蜡材料(PCM-28、PCM-18和PCM-10)在不同温度下的基本力学性能参数进行了系统的压缩实验,计算出对应的弹性模量和泊松比。结果表明:PCM-18和PCM-10的抗压强度随温度的降低而有所提高,但PCM-28的抗压强度随温度的降低反而呈现出下降趋势。在单轴压缩条件下PCM-28和PCM-18的应力-应变曲线主要经历了压实阶段、弹性变形阶段、裂纹扩展阶段和裂纹后破坏阶段4个明显阶段,最终表现为脆性破坏。PCM-10在经历压实阶段和弹性变形阶段后进入塑性阶段,曲线发展近似水平,且整个过程无明显裂纹出现。

松铺覆盖下相变黏土施工防冻控温数值模拟

堤坝及路基等工程冬季负温下施工,土料会因短时冻结或冻融而引起压实性能降低,并诱发冻胀、融沉、开裂等病害。常规覆盖保温措施工艺复杂,难以实现负温下连续施工,易使工期延长。相变黏土为改善土料防冻性能、延长冬季施工时间提供了可能,但相变材料(PCM)掺量过高影响土料力学性能。为此,本文提出了土料掺混PCM与松铺覆盖联合的防冻控温措施,利用原有施工中上层土料松铺工序,尽可能减少PCM掺量,减小施工干扰,同时解决负温施工暴露时段土料的表层防冻问题。首先,建立了考虑上层土料松铺的施工相变传热有限元数值模型,并验证了模型的有效性;然后,定量分析了不同松铺厚度、PCM掺量对相变黏土冬季施工控温效果的影响,提出了相变黏土有效施工时长的估计方法;最后,给出了防冻控温措施建议,采用2%PCM掺量和9.6 cm松铺覆盖层厚度,即可满足现场施工控温的要求。本研究为解决寒区土料冬季施工过程中的防冻控温难题提供了新的技术途径。

棕榈酸定形复合相变材料研究进展

棕榈酸因存在热导率低和物态相变时易泄漏的缺点,限制了其在诸多领域的发展和应用。棕榈酸定形复合相变材料以支撑材料为基体,将棕榈酸分散在基体材料中,不仅有效解决棕榈酸的泄漏问题,而且基体材料的加入还能提高复合相变材料的热导率。综述了基于不同基体材料的棕榈酸定形复合相变材料的研究进展,指出了棕榈酸定形复合相变材料的不足之处,并展望了其未来研究方向。

不同压缩比螺旋翅片对相变储能罐蓄热的影响机制

在传统螺旋翅片基础上提出3种不同压缩比的螺旋翅片结构。首先数值模拟不同压缩比的螺旋翅片储能罐相变材料的熔化过程;其次,讨论4个储能罐中温度场和固液界面的演变情况;再次,分析液相分数、平均温度和平均努塞尔数的变化趋势;最后,对比不同压缩比下相变材料的总蓄热量、熔化时间和平均蓄热速率。结果表明:设计压缩比合适的螺旋翅片可有效促进储能装置相变材料的熔化,减轻下部温度垂直分层现象,增强相变材料的自然对流,提升相变储能罐的蓄热性能;随着压缩比的增加,蓄热速率呈先增加后减小的趋势,而完全熔化时间则先减少后增加;与无压缩螺旋翅片的储能罐相比,当压缩比为3时,石蜡完全熔化时间缩短27.27%,平均蓄热速率提升33.33%,但当压缩比增加到7时,平均蓄热速率反而下降25%,完全熔化时间增加34.67%。