泡沫金属强化相变储热材料传热特性研究

来源 :东北电力大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cboy
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
潜热本身的高能量密度与其较好的操控性成为了储热研究的焦点,但也由于传统相变材料(Phase Change Materials,PCM)的低导热系数,在实际应用中更是困难重重。多孔介质(Porous Media)具有特殊的网格化结构,泡沫金属(Foam Metal)作为一种骨架特殊的多孔介质,主要用途为强化传热,因此在辅助PCM提高导热率过程中起到至关重要的作用。但是泡沫金属的内部构造复杂且并不存在一定的规律,各项物性参数都会影响PCM的相变熔化/凝固过程。使PCM复合泡沫金属后,两者之间的互容性以及相对性等等因素都会影响复合材料的相变能力以及导热机能。首先,实验方面本文采用真空注入法制备了泡沫金属/PCM复合相变材料,泡沫金属跟PCM分别采用的是泡沫铜和石蜡,并表征纯石蜡、泡沫铜/石蜡复合材料的热物性并记录各项参数(导热率、比热容和热扩散系数)的变化。设计泡沫铜/石蜡复合材料相变熔化的实验,搭建相关的实验台,采用热电偶跟红外热成像仪对纯相变材料和复合材料不同位置的温度进行测量,对比两者之间的差异,确定最佳熔化区间并考虑泡沫铜的金属骨架对内部温度场的影响。在相同孔隙率(90%)下,改变泡沫铜的参数(孔隙密度:10、20和30PPI),重复进行实验得到温度随时间变化的特点及规律。最后对上述做的多个实验进行误差分析,保证实验的准确性。数值模拟方面主要是分析泡沫铜/石蜡复合材料在熔化模型(Melting Model)下的温度、速度、密度以及压力场。根据实验采用的试样尺寸大小,建立相关的物理数学模型,划分网格后再进行网格无关性验证。针对多孔介质和PCM的自身特殊性质,设置初始条件和边界条件,使各方程收敛;验证模拟的可行性并对比实验结果。由实验可知:表征石蜡的热物性,得到了熔化时的熔点温度和相变潜热值。泡沫铜/石蜡复合材料的导热率要比纯石蜡有显著的提高,比热容相对减小。泡沫铜的加入缩短了纯石蜡的熔化时间,泡沫铜的金属性质和骨架结构强化了热传导,但是也抑制了自然对流的影响。高孔隙率的泡沫铜随着孔隙密度的减小,导热性能会增加。重复实验,误差在合理的5%内,验证了实验的准确性。模拟计算结果与实验数据基本吻合,温度场跟密度场的分布较为相似,整个区域由顶部开始熔化,底部受热不均匀;速度场是由于自然对流作用和重力沉降形成了两个漩涡式流动;因为泡沫铜的骨架、自然对流以及重力沉降的作用,复合材料内部的压力场不平衡,使压力增大出现十字星分布。
其他文献
自然工质CO_2,其ODP值为0,GWP值为1,且表面张力低,具有良好的热力学性质。但与传统制冷剂相比,CO_2有着十分不同的流动沸腾换热特性,过程易发生干涸使其换热能力大幅下降,因此,研究CO_2流动沸腾干涸特性具有重要意义。本文对CO_2流动沸腾换热干涸进行了理论分析与实验研究如下:(1)目前关于CO_2管内流动沸腾换热的研究很多,但各自工况范围有限,所以,建立了包含4986个数据点的CO_2
生物质的含水量较高,在直燃发电过程中会产生大量的含湿烟气,但由于低温腐蚀等原因,目前,这部分烟气排烟温度大多在120℃以上,只有少部分燃煤电站设置低温省煤器将排烟温度降至90℃左右,浪费了大量的余热,尤其是其中的潜热。通过冷凝换热设备回收这部分潜热,降低排烟温度,可有效的提高生物质燃料的能源利用率。本文通过试验和数值模拟方法研究水平单管管外含湿烟气的冷凝换热特性,具体研究内容如下:首先,通过东北地
近年来,日益严重的环境污染问题和化石能源消耗问题引起了国家的高度重视,在相关政策的支持下,新能源发电发展迅猛,但新能源发电存在随机性和不稳定性,给并网消纳带来了难题。目前,热电厂通过配置储热罐进行灵活调峰、解决消纳问题已经取得了卓越的成效。储热罐储热、放热过程的效率大小,将直接影响机组分担热负荷的程度,即火电调峰的程度,进而影响消纳新能源发电的能力。基于增大储热罐效率的目的,本文对影响储热罐的因素
多孔介质流体流动广泛涉及工业生产和人们日常生活,一直以来受到研究者的广泛关注。因为多孔介质内部结构复杂,在多孔介质-自由流复合通道内的界面附近存在复杂的热质交换行为。并且,由于多孔介质内及通道内界面处的传热模型和热边界条件并不统一,因此对通道内模型及界面条件的研究具有重要意义。本文采用局部非热平衡(LTNE)模型对多孔介质-自由流复合通道内流体的强迫流动传热特性进行研究,特别研究了不同热流边界条件
换热器作为工业生产领域中关键的节能设备之一,在热量的回收及综合利用等方面发挥着重要作用。天然水是热力工程中最易获得且成本最低的传热工质,但其中普遍含有多种溶解无机盐及其他杂质。工质与换热表面发生热量交换时,具有反常溶解性的无机盐易在换热表面上沉积导致换热表面结垢。结垢表面具有更高的传热过程热阻,工质流动阻力也因此增加,其在恶化换热设备传热性能的同时亦加剧了工质输运设备的能耗。因此,针对换热设备结垢
微通道换热器因其结构简单,易于封装且具有高效的换热能力等优势被广泛的应用于航空航天、生物器材和微机电子等诸多领域。但是,随着微电子器件在有限体积内的集成度越来越高,其热负荷对换热设备提出了新的考验。简单结构的微通道换热器已经难以满足其散热需求,因此,亟需设计出换热性能更优的微通道以解决当今的芯片散热问题。本文提出了一种布置有新型类卵形肋柱的微通道换热器(microchannel with oval
储热技术是未来协调能源供需平衡、解决可再生能源时空不匹配问题的有效方法之一。在众多储热技术中,填充床储热技术具有结构简单、造价低廉、换热面积大、传热性能好、设备需求低等优点。采用数值模拟的方法研究填充床储热的性能因减少了成本消耗、避免了时间浪费而成为近年来研究工作的主流和焦点。综上,本文进行了以下研究工作。构建封装球形相变胶囊的填充床储热装置的物理模型。基于Schumann模型,考虑球形相变胶囊和
换热器的颗粒污垢积聚会引发燃料消耗,导致流动阻力和维护成本支出增加等一系列问题。目前应对换热设备颗粒污垢的方法仍然十分有限。改性表面技术的发展为抑制换热设备颗粒污垢的积聚提供了新的思路。本文采用化学复合镀的方法在尺寸为(30×30×0.2)mm3的316不锈钢试样上制备Ni-P-TiO_2复合纳米改性表面,并对该表面的表面性能进行分析。在室温下,通过在冷却水中加入粒径为50nm、浓度为1g/L的M
煤炭作为我国储藏丰富的常规化石燃料,其消费总量的50%以上被用来燃烧发电。碳烟被定义为煤、石油等碳氢燃料热解或不完全燃烧所产生的碳质颗粒,对人体健康、生态环境和工业生产具有很大影响。超细碳烟颗粒可深入到肺中而引起呼吸系统疾病,另外,碳烟对全球变暖的贡献仅次于二氧化碳,燃烧设备中碳烟的存在对其热效率有重要影响。因此,对碳烟的生成过程以及影响碳烟生成的因素进行深入研究,对降低碳烟排放,提高燃烧设备燃烧
污垢的积聚严重影响着换热设备的传热效率,甚至堵塞或爆裂管道,也正由于其对工业生产的经济性和安全性的巨大影响,所以污垢积聚问题引起了国内外学者的广泛关注。准确检测污垢,是污垢抑制和清除的前提。周向导波具有对径向厚度变化敏感、应用便捷并且检测高效的优点,利用周向导波对管道内污垢厚度进行检测具有较好的前景。由此,本文采用理论分析、模拟仿真、检测实验相结合的方式,利用周向导波对换热管污垢检测展开了相关研究