高温填充床蓄热过程传热特性的实验研究

高温蓄热是太阳能热发电、高温热利用等的重要组成部分.本文建立了高温填充床蓄热系统实验装置,采用高温三元熔盐作为传热流体介质,分别采用陶瓷球颗粒和相变球颗粒作为填充材料对蓄热系统进行了实验研究,对蓄热系统进行了整体性能测试.分别得到了显热蓄热和相变蓄热过程中不同时刻、不同测点的温度变化和蓄热量的变化规律,可为蓄热系统的设计提供实验参考.     

基于相图低成本高温混合熔盐的配制及其热物性

基于相图计算,制备了三种碳酸盐-氯盐体系混合盐,利用同步热分析仪对所配制熔盐的熔点、潜热、初晶点、分解温度进行了测定,选出性能较好的混合盐,进而对其进行比热测试、热循环稳定性测试和蓄热成本计算。结果表明,0.18K₂CO₃-0.14Na₂CO₃-0.68NaCl混合盐具有较低的熔点、较高的潜热与分解温度和良好的热循环稳定性,与Li₂CO₃-Na₂CO₃-K₂CO₃混合熔盐相比具有更低的相变蓄热成本。     

高温填充床蓄热过程中流固传热温差分析

单罐填充床蓄热是一种重要的高温蓄热方式,填充材料的物性和边界条件对传热性能具有重要的影响。本文利用局部非热平衡能量控制方程对单罐斜温层蓄热系统进行了数值计算分析,对换热过程中熔盐和蓄热材料之间的传热温差进行了重点研究,得到了蓄热过程中传热温差随蓄热时间、蓄热材料的密度、导热系数和熔盐的速度等参数的变化规律,为进一步分析传热性能随时间和空间的变化规律提供依据。     

新型低熔点熔盐黏度的实验研究

熔盐因其具有广泛的使用温度范围,低蒸气压,大热容量,低黏度,良好的稳定性,低成本等诸多特性已成为聚光太阳能热发电中颇有潜力的传热蓄热介质。准确的熔盐热物性对于太阳能发电过程中介质的传热蓄热性能有重要影响。其中熔盐黏度作为重要的热物性之一,对于提高传热效率和降低流动阻力具有决定作用。本文利用研制的高温黏度测量仪对水和HITEC盐的黏度温度特性进行了实验研究,实验结果与文献数据具有较好的一致性,证明了该高温熔盐黏度仪的可靠性。为了降低混合熔盐的熔点,改进其热物性能,本文对Solar Salt进行改性研究,得到两种新型低熔点混合熔盐,并测定得到了黏度温度特性曲线。结果表明,改性后的高温熔融盐黏度有所降低,有利于降低太阳能热发电熔盐传热管路系统的阻力和成本。     

工作温度对高温碳酸熔盐热物性的影响

熔融盐由于具有工作温度高、蒸气压力低、热稳定性良好等优势,在集中式太阳能热发电系统中可作为传热和蓄热工质。工作温度对熔盐的传热蓄热性能具有显著影响。本文利用分子动力学模拟方法研究了温度对二元混合碳酸盐(K₂CO₃:Li₂CO₃=38.0:62.0,摩尔分数)热导率、黏度、比热容及热扩散系数的影响。结果表明,随着温度升高,熔盐的热导率和黏度均降低,比热容和热扩散系数均增加。进一步分析径向分布函数发现,温度升高导致离子间距变小,熔盐结构变得更为紧凑,使得热导率和黏度均下降。温度越高,离子间碰撞越剧烈,因而能传输更多的热量导致热扩散系数增大。本文对高温熔盐热物性的研究可为光热发电蓄热技术发展提供指导。     

低熔点混合硝酸盐相变传热过程研究

为得到混合熔盐在单罐蓄热系统内的相变传热规律,本文针对具有低熔点的四元混合硝酸盐展开研究,采用VOF与焓-多孔介质耦合模型对底部加热条件下蓄热单元内相变材料(PCM)的相变蓄热过程进行模拟,并利用实验进行验证。结果表明:相变过程中罐内出现明显温度分层现象,固液界面出现波动。蓄热单元中所产生的自然对流强弱直接影响热量传递,同时固液相界面的位置决定自然对流的发展。本文研究结果对相变材料的高效利用与单罐蓄热系统的优化提供理论依据。     

Mg/CaCl_2高导热传热蓄热材料的制备与性能

以无机盐氯化钙(CaCl_2)作为高温传热蓄热材料,添加金属镁(Mg)作为传热增强剂,采用静态熔融法制备具有高导热性能的Mg/CaCl_2传热蓄热材料。实验结果表明:在熔融状态下,镁条熔化成为小液滴并弥散分布以"金属雾"形式分散在氯化钙熔体中。金属镁的加入几乎没有改变体系的熔点,但是随着镁含量的增大,体系的潜热先减小后增大,导热系数先增大后减小。当镁添加量w(Mg)=0.1时,导热系数增大了41.17%。     

高温井下测井仪分布式储热系统仿真

测井仪用于勘探深层地底下的油气资源,面临着200℃的高温环境。其内部的电子器件无法承受高温,需对其进行热管理。针对多热源测井仪,有学者提出了分布式储热系统并进行了实验探讨。但受限于实验条件,仅讨论了其中一种情况,不同井下温度,不同相变材料种类对该系统热管理效果的影响尚未探究。为解决这个问题,我们对测井仪分布式储热系统进行了仿真计算。结果表明,测井仪器在200℃下作业6 h后,相变材料的潜热利用率为96.7%,电路板的最高温度为146.5℃,可满足测井需求;环境漏热量随环境温度的升高而增长,但对电路板温升影响不大,仅为环境温升幅度的36%;对比了4种相变材料的热管理效果,发现伍德合金蓄热能力最强,控温效果最好。     

基于(火积)与熵产分析的最优相变温度研究

蓄能对分布式能源系统的效率有较大影响。本文对于分布式能源系统中蓄能的相变温度,分别采用熵产极值,(火积)耗散极值与广义热阻极值进行优化。结果表明,(火积)耗散极值与广义热阻极值作为优化准则所得的最优相变温度对应蓄热取热功率的极大值。此外,基于(火积)耗散分析方法,分析了二级蓄能的蓄热取热能力,结果表明二级蓄能的蓄热取热量比单级蓄能大,二级蓄能与单级蓄能蓄热量之比与冷热流体入口温度无关,仅与传热单元数有关,且当传热单元数趋于无穷大时,二级蓄能与单级蓄能的蓄热量之比趋于四分之三。     

深冷壁面霜层生长的数值模型

文中对深冷壁面结霜过程进行了理论研究。综合考虑对流传热、相变潜热和辐射传热的影响,通过质量平衡、能量平衡,采用准稳态的方法建立了深冷表面的结霜过程数学模型及计算求解方法,研究了霜层生长规律、霜层物性和结霜过程传热量等随时间的变化规律。提供了一种能够进行深冷工况霜层生长规律和霜层物性预测的计算方法。     

填充泡沫金属的熔盐相变蓄热过程模拟

本文以管肋式熔盐相变蓄热结构为对象,将相变材料填充入高孔隙率泡沫金属中以弥补熔盐导热系数低的缺陷。考虑周期性边界和重力方向相邻结构的影响,以三层管肋式结构代替整个系统建立多孔介质固-液相变输运三维物理数学模型。利用数值模拟方法,探讨在重力环境中,管式加热条件下相变材料蓄热过程的传热性能。揭示出相变界面随时间的演化,以及自然对流对蓄热过程的作用机制;讨论了泡沫金属、肋片参数及加热温度对蓄热能力的影响。     

金属有机骨架复合体的相变热特性测试

本文对SA/Cr-MIL-101-NH_2复合相变材料进行了结构的表征及测试,采用Hotdisk法热常数分析仪测量热导率,通过比较法测量得到其比热容,并由差示扫描量热仪测量复合材料的相变特性,采用伪超临界路径方法模拟了SA在受限空间内的相变过程。研究结果表明:质量分数为70%的SA/Cr-MIL-101-NH_2复合材料热导率相比于纯SA提升了64.8%,增强了整个材料的传热性能,复合材料的比热容、熔点、潜热均随着负载量的增大逐渐增大,但均小于块材SA,质量分数为70%的复合材料潜热达到115.53 J/g,保证了材料的蓄热性能;模拟得到受限空间内SA的回转半径小于自由空间,链段柔韧性增强,导致其熔点降低。     

蓄热单元尺寸对融化传热增强作用的数值研究

为提高板式相变蓄热单元融化过程的传热速率,本文在传统矩形单元的基础上改变装置尺寸得到楔形截面蓄热装置。利用焓法模型分析了单元结构尺寸(包括高宽比,上下边长比)对蓄热过程材料融化及传热特性的影响。结果显示,蓄热单元高度(热源面积)一定时,装置上下边长比、高宽比均对其热性能有显著影响。具体表现为:减小矩形单元的高宽比有利于强化传热;采用上下边长比大于1的楔形单元可在一定程度上消除蓄热过程的融化死角,蓄热时间最大缩短32.8%;蓄热单元的最优上下边长比与高宽比存在对应关系。     

基于LBM的多孔陶瓷有效热导率和相变传热分析

多孔氮化铝陶瓷具有高导热、耐熔盐腐蚀等优点在相变材料封装方面具有较大应用前景。本文采用微米计算机断层扫描(CT)得多孔氮化铝的灰度图像,并精准重构三维孔隙结构。并采用四参数随机生长、堆积颗粒、维诺结构等数值方法建立结构模型。基于介观尺度的格子玻尔兹曼方法 (LBM),计算了多孔陶瓷的有效热导率,结果表明维诺结构与CT真实重构的热导率接近。采用三维焓法LBM模拟了多孔骨架内的相变传热过程,获得了孔隙尺度对流相变的传热机理,并分析了不同孔隙率时的储热密度和复合材料的有效热导率。基于CT扫描和LBM的相变传热模拟有助于快速分析骨架的热特性,为多孔骨架的设计提供理论基础。     

硝酸熔盐在土壤中的泄漏迁移实验

硝酸盐作为传热蓄热介质被广泛应用于太阳能热发电系统中,但在特殊情况下硝酸盐会从系统中泄漏并造成环境污染。本文研究了高温硝酸熔盐泄漏在土壤内部的迁移情况,并探究了对熔盐在石英砂中迁移渗透的影响因素。研究发现初始泄漏温度越高,熔盐在石英砂中的冷却结块后的中心厚度越大,四周的渗透深度也越大,但直径会越小;而泄漏高度越高,熔盐在石英砂中的冷却结块厚的中心厚度越大,熔盐的水平扩散直径越小,边缘厚度也越薄。     

带环状翅片管式相变储热器的数值模拟

相变材料的低导热性是相变储热器传热过程的主要障碍。在相变材料侧进行强化,是目前提升相变储热器蓄热速率的主要方法。本文采用有限容积法对带有环状翅片的管式相变储热器的蓄热过程进行了数值模拟,得到了温度场、相界面随时间的变化。在此基础上,本文对翅片导热系数、翅片厚度和翅片间距等影响储热速率的因素进行了计算和分析。为相变储热器的优化设计提供了一定的参考。     

含相变微粒流体热对流启动的Galerkin解

采用Bubnov-Galerkin方法对有恒壁温条件下,两平板间夹有含相变颗粒流体的自然对流热启动瑞利数进行了近似解析求解,求出了临界瑞利数Racr和波频数kcr随相变物质浓度,以及在相变温度范围内随加热表面温度的解析关系表达式.从而,为实现该类功能性潜热流体的自然对流传热强化,及其优化控制蓄热过程有理论指导意义.     

相变蓄热体的热工特性数值模拟

为了深入研究蓄热式换热器的蓄放能效果,提出了采用具有相变材料的蓄热体强化蓄放热,通过gambit软件建立了三维蓄热体相变传热过程的物理模型和数学模型,利用fluent软件模拟了具有相变材料的蓄热体与具有变截面管强化的蓄热体传热,得到了两者蓄放热过程温度场分布。根据模拟结果分析了相变材料及缩放结构对蓄热体蓄放热效果的影响,为优化设计蓄热式换热器提供了理论参考。     

多元低共熔材料热物性及电池热管理性能研究

多元共熔相变材料在储热及控温领域具有重要的应用价值,本文通过低共熔理论合成了三种多元共熔相变材料,CALA-MA-PA (CLMP),CA-LA-PA-SA (CLPS)和 CA-LA-TD (CLTD),相变温度分别为 13.47℃,13.47℃和 8.95℃,对应的相变潜热为137.67 J·g~(-1),142.44 J·g~(-1)和138.98 J·g~(-1)。此外,本文对合成的多元共熔相变材料的基本物性、导热系数以及热稳定进行研究,并利用电化学产热作为热源,对三种多元共熔相变材料的电池热管理性能进行了研究,结果表明,三种多元共熔相变材料均能达到理想的控温效果,降低温差,提高电池寿命及热安全性。     

高温相变储能换热器中传热模型的研究

1前言利用相变材料在发生相变时有很高的潜热释放或吸收的特点，将相变材料作为储热介质用于相变储能换热器中，可以大大地提高热储存的容量。本文研究的这种壳管式相变储能换热器壳内布置换热管，管壳之间填充高温储热材料，管内通以空气作为热交换流体提取储存在相变材料中的热量。定义输出功率为单位时间内热交换流体所提取到的热量，那么输出功率就成为评价这类换热器换热性能的指标。2理论模型的建立下面几点，概括了求解本文相变储能装置中传热问题的特点：a．相变储能换热器的壳侧填充的AI-Si合金属高温相变储能材料，实验始末其温…