废旧发泡混凝土定型相变材料制备及热性能研究

为规模化消纳城市固体废弃物,降低废旧发泡混凝土大量堆积对城市生态环境的破坏。提出以废旧发泡混凝土作为骨架材料,对其进行预烧结处理,以Na_(2)CO_(3)为相变材料制备定型相变材料。结果表明:废旧发泡混凝土可以负载质量分数为45%的Na_(2)CO_(3);差示扫描量热法(DSC)测得该定型相变材料的熔化潜热为126.7 J/g;X射线衍射法(XRD)和傅里叶变换红外法(FT-IR)表明,骨架材料和相变材料之间有良好的化学相容性;激光导热分析法(LFA)测得该定型相变材料的导热系数最大为0.24 W/(m·K)。

定形相变材料储热性能和强化传热研究进展

潜热蓄热技术被视为缓解能源供需矛盾的有效措施,其利用相变材料在相变过程中吸热/放热来实现能量的存储和释放,在建筑节能、温室控温、调温服装等领域具有极大的应用潜力。归纳了定形相变材料的种类和特点,对多孔基相变材料、微胶囊相变材料和聚合物基相变材料等制备技术及储热性能的研究进展进行了综述,分析了定形相变材料制备过程中存在的问题,介绍了定形相变材料的强化传热方法,最后讨论了今后研究工作的重点并展望了定形相变材料的发展前景。

影响多孔定型相变储能材料性能的因素分析

太阳能作为一种可再生能源,因其在解决日益增长的能源需求和温室气体排放方面的巨大潜力受到越来越多的关注。然而,太阳自身的间歇性和随机性大大限制了太阳能的转换和储存效率。近年来,基于固-液相变储能材料的潜热储存系统,由于具有高储热密度和出色的化学稳定性,有望成为提高太阳能吸收和转换的合适方法。但固-液相变储能材料在实际应用中常受到自身相分离、换热速率低、过冷、熔融状态泄漏、性能不稳定等限制。其中一种解决方法是将多孔载体与固-液相变储能材料相结合来制备多孔定型相变储能材料。介绍了相变储能材料的储能机理和传热强化机理,系统分析了多孔载体材料的种类、制备方法对多孔定型相变储能材料的影响及其潜在应用。

基于Fluent的单罐蓄热特性模拟分析

采用熔盐储热是解决高效、低成本储能与实现减碳减排目标之间矛盾的一种有效途径。以熔融盐为储热介质,熔盐蓄热单罐储热系统能够实现太阳能―热能的有效转换,并可以用来存储和释放能量。选取不同几何形状的内壳式蓄热单罐模型,利用Fluent数值软件,计算各模型的PCM(Phase Change Material,简称PCM)平均温度和热罐内部液相分数并进行对比分析,结果显示,四棱柱管壳式储热罐的蓄热量较好,蓄热速率较大且储热性能更优。选择四棱柱管壳式蓄热罐作为研究对象,通过改变导热流体的进口温度和流速以及相变材料的导热系数,分析不同工况下PCM平均温度的变化:当导热流体进口温度从597 K上升到747 K时,管壳式蓄热罐中的PCM平均温度由394 K升高到441 K;在导热流体进口速度由0.3 m/s上升到2.2 m/s的过程中,蓄热罐中的PCM平均温度由446 K上升到473 K;导热系数在0.277 W/(m·K)增加到1.277 W/(m·K)的过程中,PCM平均温度增高约27 K。该研究可为蓄热单罐的优化设计及应用提供一定参考。

肋片结构对三套管式潜热储能系统相变储能特性影响的研究

潜热储能在近恒温条件下具有高能量密度的特性,可以有效解决太阳能利用中供需不匹配的问题。本文基于焓-孔隙率法数值研究了三套管式潜热储能系统的相变储能特性,分析了肋片数量、肋片尺寸与肋片结构对相变储能过程的影响规律。结果表明,相变材料熔化速度随着肋片数量与肋片尺寸的增加而加快。直肋片数量为8,肋片尺寸分别为37.2mm和49.6mm时相变材料完全熔化时间较无肋片时分别缩短60.1%和68%,平均蓄热率分别提升141.3%和197%。与直肋片相比,Y型肋片结构相变材料熔化时间大幅缩短,其开合角度为120°时完全熔化时间仅为同换热面积下直肋片结构的60.89%,而平均蓄热率高于直肋片结构64.23%。合理布置肋片结构可缩短相变材料的总熔化时间及强化三套管式潜热储能系统相变储能特性。

MA/SBR/CNT定型复合相变材料的制备及其性能研究

以肉豆蔻酸(MA)为储能基元材料、丁苯橡胶(SBR)为储能载体、碳纳米管(CNT)为导热增强材料,通过熔融共混法制备了MA/SBR/CNT低温复合定型相变材料。采用SEM、FT-IR、XRD、DSC等测试表征手段对复合相变材料的微观结构、物化稳定性和热性能进行了分析。结果表明,SBR能很好地包裹MA,维持复合材料结构稳定且保证液相材料相变过程中不发生泄漏。CNT的加入可以有效地提高复合相变材料的热导率,当添加质量分数为7%的CNT时,复合相变材料热导率可达到0.4 W/(m·K),其导热性能大大提高;在该添加比例下,复合材料熔化、凝固相变温度分别为53.03℃、51.49℃,相变焓变分别为156.53 kJ/kg、152.35 kJ/kg。

相变建筑围护结构材料对室内供暖设计的影响

建筑围护结构相变材料有效提高室内保温性能,研究其最佳制备方式及对供暖的影响可为工程人员提供理论依据。优选了建筑维护结构材料的配比、载体吸附工艺、封装方式,分析了材料调温性能及隔热性能对室内供暖设计的影响。结果表明,月桂酸、硬脂酸和棕榈酸的质量配比为65.9:10.5:23.6。随着吸附温度和吸附时间的升高,可膨胀石墨的容留率先升高后降低,最佳吸附温度为55℃,最佳吸附时间为50min,推荐真石漆乳液-水泥粉胶粘封装。相比普通水泥砂浆,相变水泥砂浆在受热后中心最高温度明显降低,相变水泥砂浆墙体内侧温度明显更低,达到最高温度所需的时间延长,良好的调温能力和隔热性能有效改善了建筑围护结构的蓄热量和传热量,供暖系统补充供热量降低。

太阳能相变蓄热炕的实验及数值模拟研究

为实现太阳能相变蓄热炕的快速升温,采用毛细管网及配置高导热复合相变材料来提高炕体的热响应时间,通过数值模拟与实验研究相结合的方法对炕体的热工性能进行研究。本文首先对比不同熔点石蜡的差示扫描量热(differential scanning calorimetry,DSC)曲线,选取35#石蜡作为研究对象,采用熔融混合法制备不同配比的石蜡-膨胀石墨复合定形相变材料;并通过渗漏测试确定最佳配比。实验表明:当膨胀石墨质量分数为8%时,复合定形相变材料渗漏率较低,为兼顾储热、导热性能的最佳配比。将石蜡复合相变材料应用于太阳能相变蓄热炕,通过计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)建立三维非稳态传热模型,对炕体进行24 h供热模拟设计;模拟表明:太阳能相变蓄热炕在昼间垫面温度达到24.2℃,夜间垫面温度达到30.2℃。通过Trnsys(transient system simulation program)软件对组合式系统进行运行模拟发现:组合系统均可达到设计的45℃及以上;另外,组合式系统全年节电量为2974.7 kW·h,或节省标准煤469.9 kg,或减少二氧化碳1240.5 kg、一氧化碳70.9 kg、PM_(10)6.8 kg等,节能减排量显著。

基于仿生树形相变循环散热技术研究及变频空调应用

伴随环境温度升高,空调制冷量需求也会逐步增高,从而引发变功率模块发热严重,导致其内部芯片无法良好散热。通常采用压缩机降频工作方法保证电控板安全,但该方法的缺点是温度越高,空调制冷能力越差。针对该缺点,提出一种仿生树形的单向相变循环传热方法,开发了一款单向循环相变风冷散热器,通过焓差室测试,实现了散热器进风口温度62℃时,变频功率模块温度可以降低8℃以上,防止压缩机强制降频造成制冷量衰减。

聚乙二醇/SiO_2定形相变材料在沥青中的相变储热性能

利用多孔二氧化硅的良好吸附性,将不同计量的聚乙二醇在硅溶胶胶凝过程中吸附于硅凝胶的孔隙结构中制备聚乙二醇/二氧化硅定形相变材料(PEG/Si O_2 SSPCM);并将其与熔融沥青共混获得不同聚乙二醇含量的沥青-定形相变材料(Asphalt-SSPCM)。借助孔径分析仪和扫描电镜(SEM)表征了载体二氧化硅孔结构和PEG/Si O_2 SSPCM的表观形貌;通过X射线衍射仪(XRD)、综合热分析仪(DSC/TG)和傅里叶红外光谱仪(FTIR)考察了沥青中PEG/Si O_2 SSPCM的晶体结构、储热性能、热稳定性及化学兼容性;通过本文作者课题组研发的温度模拟试验箱测试了Asphalt-SSPCM的降温效果。结果表明,二氧化硅凝胶具有丰富的孔结构并能将聚乙二醇吸附于其介孔结构中;沥青中PEG/Si O_2 SSPCM仍含有聚乙二醇晶体,其储热能力随聚乙二醇含量的增加而增大,当聚乙二醇含量为76.1%时,相变焓高达117.5J/g,且不同聚乙二醇含量的沥青-定形相变材料均表现出良好的热稳定性;PEG/Si O_2 SSPCM与沥青的化学兼容性良好,二者之间仅是物理作用;Asphalt-SSPCM的降温效果显著,可有效改善沥青路面的高温性能;并基于相变理论,分析了沥青-定形相变材料的相变储热原理。

高导热定形相变材料储能散热器传热特性研究

利用制备的高导热定形相变材料,建立了相变储能散热器传热特性的实验平台和理论分析模型,并对其进行了实验和理论研究。研究结果表明:定形相变材料改善了散热元件与散热板之间的接触,同时利用定形相变材料可发挥潜热储热的优势,使散热器在间歇性散热元件停机的状态下继续散热,从而使散热器总体传热特性提高28%以上。

膨胀石墨微结构表征及其储能复合材料的制备

以膨胀石墨为吸附介质,制备新型的相变储能复合材料.对膨胀石墨的制备及微结构的表征、有机相变材料的热物理性能测试、复合相变材料的制备及其储(放)热性能的测试等进行了试验.试验结果表明,可膨胀石墨在600W微波输出功率下处理10～15s后,可以制得具有良好吸附性能的膨胀石墨材料.电镜观测和压汞分析都显示,膨胀石墨具有丰富的孔隙结构,孔隙尺寸以微米级为主.由于膨胀石墨为非极性材料,且具有多孔性质,很容易吸附有机相变材料,其最佳的吸附比例为12.5mL/g.进行吸附处理后所制得的相变储能复合材料,具有明显的储能效应,能够起到调节环境温度的作用,同时根据上述特点可以达到将能量在不同的时间和空间进行转换的目的.

新型套管式相变蓄热器结构优化及传热研究

针对相变材料导热系数小而影响相变蓄热器换热效率的问题,对蓄热器结构进行改进,提出应用三角形直列、同心圆排列、正方形直列和正方形错列4种不同的换热管束排布方式对相变蓄热器的结构性能进行优化及数值模拟。模拟结果表明:换热管束采用正方形直列和正方形错列排布的蓄热器内相变材料熔化所需时间基本相同,同心圆排列所需的融化时间最短;换热管束采用三角形直列排布、正方形直列和正方形错列3种排布方式的蓄热器在蓄热后期会出现死区,与同心圆排列方式相比,其相变材料熔化所需时间分别增加了57.20%、26.47%和26.48%。

螺旋肋片同心套管相变储热单元储热特性分析与结构参数优化

以填充棕榈酸的同心套管相变储热单元为研究对象。建立储热性能试验系统,并应用数值模拟方法模拟相变传热过程。通过实验与模拟结果对比,验证数值计算方法的准确性。研究了螺旋肋片结构对储热单元的强化传热特性,以及无量纲螺距和无量纲肋高对熔化过程的影响。研究结果表明:螺旋肋片结构在肋片导热和相变材料局部自然对流的共同作用机制下显著缩短充热时间,熔化速率呈先增大后减小的趋势;减小螺距、增加肋高可缩短充热时间,但减少储热量;综合充热时间、储热量和平均热流密度分析,通过单因素优化获得无量纲螺距和肋高的参数组合为0.24和0.59,该结构下充热时长240min,平均热流密度1056W/m2。

Na_2SO_4/SiO_2定形复合储热材料的性能研究

通过传统热分析法和差示扫描热分析仪(DSC)研究了Na2SO4/SiO2复合材料的储热性能。研究表明Na2SO4/SiO2有很高的储热密度(180～210J/g)和良好的抗热震稳定性,得出了这种材料较完整的热工性能参数,为蓄热器的设计提供了必要的热工计算参数。

蓄能型太阳能热泵热水器性能系数的分析

针对太阳能热泵热水器受天气变化影响的问题,提出了一种新型的集热-蓄能-蒸发一体化太阳能热泵热水器,给出了系统的原理、特点、运行模式和集热-蓄能-蒸发器的结构形式.以癸酸为相变材料储存晴天的太阳辐射能,作为热泵在夜间和连续阴雨天时的低温热源制得热水,提高了热泵的制热效率,解决了太阳能间歇性所造成的系统运行不稳定的问题.进行了春季不同工况、不同工作模式的试验,分析了系统的性能系数COP,得出该系统的平均COP为7.56.太阳辐射强度均值为592 W.m-2的天气条件下,COP可达8.9;即使在夜间,COP仍能达到6.4,均高于相同天气条件下普通太阳能热泵热水器的COP,该系统的COP受天气变化影响较小.

新型相变蓄热式电加热装置蓄热性能优化研究

目前降低原油黏度的加热方法主要是电加热,而全天电加热的方式存在高能耗和高成本的问题。为满足环保和工业生产的需要,将原油降黏加热法与谷电、相变材料相结合,设计了一种新型的相变蓄热电加热装置,并对装置的相变蓄热放热性能进行数值模拟研究,分析不同进口流量和泡沫金属孔隙率对放热过程的影响。结果表明:随着工质进口流量的增加,出口温度不断降低。并且,当出口温升为10℃时,装置进口流量可满足1.413~2.120 m 3/h的流量范围。同时,泡沫镍的加入使相变材料内部温度更加均匀,而且相变材料内部温度随泡沫金属的孔隙率的降低而降低。采用增加电加热棒的数量和降低单个电加热棒的功率的方法,对装置进行结构优化,使得局部高温现象明显改善。利用该装置既能保持较高的换热效率,又能降低生产成本。

高温相变蓄热电锅炉结构优化与数值模拟

对高温相变蓄热式电锅炉内蓄热模块的结构进行优化,首先根据供暖热负荷需求对高温相变蓄热式电锅炉进行了相关设计计算,在蓄热式电锅炉供热功率确定的情况下,选用合理的高温相变蓄热材料及电加热元件.在这些条件完全相同的情况下,采用FLUENT模拟研究了平板型与锯齿型蓄热板采用2种不同布置方式的蓄热效果,通过比较4种不同模型中监测点的温度变化、不同结构的模型完成蓄热所需的时间及高温相变蓄热材料的液相率,得到:1)分流通道的布置方式更优于"蛇"形通道,除显热储热阶段提前完成外,相变储热阶段也缩小0.22h;2)锯齿型蓄热板的换热效果要优于平板型蓄热板,在蓄热板布置方式相同的情况下,相变储热阶段提前0.20 h完成;3)锯齿板分流通道(模型(d))蓄热模块的蓄热效果是较优的,其在布置方式及换热板的形貌上都得到优化,使得传热速率不仅加快,潜热储热时间也大大缩短,在相同的加热时间,得以储存更多的热量,避免了平板"蛇"形通道蓄热模块(模型(a))储热不完全的缺陷.

低成本兰炭灰骨架定型相变储热材料的制备及性能研究

在碳中和背景下,为促进工业固体废弃物的规模化消纳,避免兰炭灰大量堆积对环境造成破坏,创新性提出兰炭灰/碳酸钠定型相变储热材料,通过冷压缩-热烧结法制备兰炭灰基定型相变储热材料,为构建以新能源为主体的电力系统提供可能的储能技术路径。采用激光导热分析法(LFA)、热重及差示扫描量热法(TG-DSC)和X射线衍射法(XRD)对定型相变储热材料的导热性能、储热性能及化学相容性进行表征。结果表明,兰炭灰与碳酸钠的质量比为52.5∶47.5时,复合材料各方面的性能最佳,其导热系数在100~800℃内最高可达0.41 W/(m·K),在100~900℃时储热密度达1 101.14 kJ/kg。

封装方式对相变水箱蓄放热性能影响模拟分析

为探究不同形状封装单元对相变储能水箱蓄放热性能的影响,研究在保证水箱结构尺寸、相变材料种类和用量以及水箱进口水温和流速相同的前提下,利用Fluent软件对采用板型、圆柱型和球型封装单元的相变储能水箱以及无相变材料的传统水箱进行了模拟研究,并分析了各水箱在蓄热时间、放热时间、温度分布以及蓄放热量等方面的不同。模拟结果表明:封装单元形状改变会对水箱蓄放热性能产生一定的影响。在蓄放热过程中,3种相变储能水箱中球型单元水箱最先完成蓄放热,相比于板型和圆柱型单元水箱蓄热时间分别缩短10.4%和2.3%,放热时间缩短7%和2.3%。板型单元水箱完成蓄放热所需时间最长,相比于传统水箱,蓄热时间延长54.8%,放热时间延长38.7%。圆柱型单元水箱的蓄热量最大,约为41.612 MJ,较传统水箱提升了16.1%。板型单元水箱释放的热量最多,放热量为41.634 MJ,较传统水箱提升了16.2%。球型单元水箱由于封装单元形状和布置方式的不同,使得换热面积和相变区域较大,水箱内温度分布呈现出沿高度方向逐渐增加或降低的趋势,与其他两种相变储能水箱相比差异较大,且存在换热死区。