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我院极端条件热物理与能源系统团队在高效相变储热研究方面取得成果
点击数: 次 发布时间:2021-09-04 作者: 来源:

研究成果速览:

近两年,我院唐大伟教授团队深耕于高效相变储热领域,系列成果发表在Energy, Applied Thermal Engineering, Journal of Energy Storage等国际期刊上。成果包括:(1)提出了非均匀孔径泡沫金属结构,通过梯度孔径结构优化实现了相变储热过程中导热与对流的协同强化,在不改变金属骨架容积比(孔隙度)的前提下,储热效率提升28%。该研究成果以Visualized-experimental investigation on the energy storage performance of PCM infiltrated in the metal foam with varying pore densities为题,发表于Energy。(2)开展了梯度孔隙泡沫金属结构优化研究,揭示了梯度孔隙结构影响相变特性的物理机制,获得了提升储热效率的最佳梯度结构。该研究成果以Pore-scale investigation on the heat-storage characteristics of phase change material in graded copper foam为题,发表于Applied Thermal Engineering。(3)通过翅片结构多参数(长度、厚度、形貌)优化,显著强化了相变材料的对流换热过程,实现了储热效率5.18~54.1%的提升。该研究成果分别以Effect of perforated fins on the heat-transfer performance of vertical shell-and-tube latent heat energy storage unitInfluence of fin parameters on the melting behavior in a horizontal shell-and-tube latent heat storage unit with longitudinal fins为题,发表于Journal of Energy Storage

以上工作得到国家自然科学基金、海洋能源利用与节能教育部重点实验室、大连市重点领域创新团队的大力支持。

研究背景:

储热技术是实现高效能源转换、清洁能源利用、余热回收、高功率散热等的关键技术,主要包括显热储热、热化学储热和潜热储热。其中,潜热储热技术具有储热密度高、温度变化小等优点,广泛应用于储能领域。然而,由于相变材料导热系数低(0.1~1W/m·K),储热效率有限。为解决这一问题,本团队集中研发高蓄热效率、高储热密度的复合储热材料/单元,开展了一系列实验及数值模拟工作,包括多孔泡沫结构优化、金属翅片结构优化、新型复合相变材料研发以及高效储热器设计等。近年来,上述研究热点多次出现在诸如Joule, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Energy Storage Materials等能源领域顶级期刊上。


成果展示:

研究成果1

泡沫金属由于具有比表面积大、导热系数高、重量轻等优势,广泛应用于强化相变储热领域。然而,由于在储热器/单元内部融化过程中,相变材料的对流和导热换热强度不断变化,且与内部压力和流阻有关。此时,均匀孔径的泡沫结构无法兼顾导热和对流的同步优化,导致储热效率无法进一步提升。针对这一问题,作者提出了非均匀孔径泡沫金属结构,利用大孔径的高强度对流换热及小孔径对对流换热的抑制作用,在空间维度上实现了对相变过程对流换热的有效调控。通过均匀孔径结构、部分优化孔径结构和梯度优化孔径结构的储热过程对比,获得了最优储热结构,使储热效率提升了28%

1. a)太阳能储热系统(b)优化孔径泡沫结构(c)储热功率

2. 部分孔径优化结构可视化融化过程图

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544221017886

研究成果2

泡沫金属结构优化是强化相变材料储热表现的主要手段之一。近年来,梯度孔隙泡沫金属已作为相变储热材料载体提升储热效率。然而,由于缺乏内部传蓄热机制分析,导致梯度孔隙泡沫金属的设计优化无理论支撑,无法有效强化储热系统/单元的蓄热表现。本团队通过数值模拟方法对梯度孔隙泡沫结构复合相变材料的储热表现进行研究,揭示了泡沫结构的梯度方向和梯度值对储热表现的影响机理,通过对比不同梯度结构获得了最佳梯度孔隙结构。通过数值模拟结果发现梯度方向对相变材料的融化过程有不同影响,负梯度结构能够强化储热表现(2.6%),而正梯度结构则削弱融化表现(15.5%)。这是由于在初始融化阶段热源与相变材料温差较大,导热换热强度大,此时小孔隙度泡沫金属有助于强化储热。而在融化后期,由于内部温差下降,导热换热强度减弱,泡沫金属强化储热的能力减小。结果表明,增大靠近热源侧而减小远离热源侧的泡沫金属孔隙度,亦即负梯度泡沫结构,是有效强化储热表现的重要手段。

3. 梯度孔隙度与均匀孔隙度泡沫结构融化表现

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研究成果3

金属翅片结构简单、导热系数高,能够有效提升储热系统效率。现阶段的新型翅片虽然能够强化储热效率,但同时牺牲了系统的储热密度。本团队针对传统翅片结构进行结构优化设计,在不增加甚至减小翅片容积的前提下,仍能实现储热效率的提升。对于径向翅片结构,以协同强化导热和对流换热为基础,通过缩短顶部翅片、延长底部翅片的方式,有效提升底部区域的融化速率,从而显著提升整体储热速率(5~45%),而这种优化结构对储热密度的影响可忽略不计。对于传统环形翅片,可通过打孔的方式增强翅片间的对流换热,从而实现储热效率(4~12%)和储热密度(0.21%)的共同提升。

4. 梯度翅片结构

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X20320521

5. 穿孔翅片结构

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X21003881


未来展望:

本团队以高储热效率、高功率密度储热系统研发为目标导向,整合团队在微纳米材料热物性研究、高通量传热器件研发以及清洁能源利用等方面的技术优势,开展新型储热材料研发、高效储热结构设计及优化研究,解决现有储热系统储热能力差、等效导热系数低的瓶颈问题,推动高效能源转换、清洁能源高效利用、余热回收、高功率密度散热等领域的发展,为碳达峰、碳中和目标的实现提供技术支撑。


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