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储热技术及应用[2]:相变储热强化技术

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发表于 2020-12-18 11:27:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
为了解决能量供给在时间和空间上的不平衡,储热技术应运而生。其中相变储热由于其运行温度稳定,储热密度高以及结构简单等优势引起了学术界和工业界的广泛关注。相变储热是通过相变材料在熔化和凝固过程中潜热的吸收与释放来解决能量供给时空不平衡的问题。需指出的是,相变材料导热系数低,使得传热效率低下,限制了相变储热技术推广应用。因此,寻求相变储热的强化技术具有重要的现实意义。概况起来,目前已采用的相变储热强化技术主要有:


1金属肋片
添加金属肋片(图1)即在原有的储热装置内部添加凸起的肋片,可以拓展传热面积,提升热导率,具有成本低廉、易于安装且稳定性好的优势。目前已有的添加肋片结构包括均匀肋片结构和非均匀肋片结构。均匀肋片结构是将肋片均匀地分布在圆周上,在增大传热面积、提高导热率的同时也抑制了储热装置上部的自然对流。非均匀肋片结构综合考虑了自然对流和热传导的协同作用,使得装置内部温度分布更加均匀,储热速率更快,从而有效强化了相变储热装置的传热性能。
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2高导热粒子
相变储热技术中的关键在于相变材料的选择,而目前已有的相变材料普遍热导率较低。针对此问题,在相变材料中添加高导热粒子(图2)的技术可以有效改善传统PCM热导率低的问题,提高了PCM的热导率。然而导热粒子的大小,体积比以及温度也在一定程度上影响了有效热传导率以及动力粘度,故在实际应用中选取合适的添加粒子对于强化相变储热技术也十分重要。


3 PCM微胶囊技术
微胶囊是以胶囊的形式包装微粉化材料(液体和固体),其尺寸范围从小于1mm到超过300mm,壁面材料可以使用各种各样的材料,如天然或合成聚合物。相变微胶囊(图3)的优势在于:可以有效阻止相变材料与传热流体之间的接触,并且提供了相变材料与传热流体之间的更大传热面积。对于液态金属相变材料在有金属等外壳材料存在时,通常表现出高度的化学腐蚀,可以通过改变外壳材料来避免,且考虑到相变材料从固态变成液态体积膨胀,可通过设置一个缓冲区域来提供体积膨胀的空间。
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4 多孔金属泡沫
多孔金属泡沫(图4)是指含有泡沫气孔的特种金属材料。泡沫金属的孔隙度常常达到90%以上,并且具有一定强度和刚度的。这类金属孔隙度高,孔隙直径可达至毫米级。已实用的泡沫金属有铝、镍及其合金,此外,泡沫铜也拥有一定的发展空间。在储热器内部封装有嵌在铜泡沫内的相变材料,高导热系数的开孔金属泡沫的存在提高了相变材料的当量导热系数,进而有效强化固液相变的传热性能。
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5 多重PCM
多重PCM(图5)指的是利用一种以上相变材料在储热装置中进行充放热过程。固液相变过程的传热速率主要取决于传热流体与PCM熔点之间的温差,如果仅仅使用一种PCM,那么在熔化过程中,换热流体沿着流动方向温度降低,导致传热速率降低,从而影响了相变储热效率。如果多个熔点不同的PCM按照熔点的降序排列在储热装置中,由于传热流体在流动方向温度降低,使得在熔化过程中也可以保持基本恒定的温差,进而保证热流密度基本恒定。相反,在凝固过程中,当传热流体随着流动方向温度升高,使得PCM按照熔点的升序排列也可保持凝固过程中基本恒定的温差和热流密度。根据温度对口原则,有利于提升固液相变效能。

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中国热管理产业技术创新战略联盟 原创发布

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