空间发电系统热管式吸热器热性能分析

为了提高吸热器的热性能、降低吸热器的质量,将热管用于空间太阳能热动力发电系统的吸热蓄热器,建立了相应的物理和数学模型,给出了数值求解方法,计算了蓄热容器最高温度、热管最高壁温、工质出口温度、相变材料(PCM)熔化率等参数,并与基本形吸热器进行了对比,验证了PCM的储热能力,减小了工质气体出口温度的波动。计算结果可用于吸热器的设计。      

空间站太阳能吸热器蓄热性能地面模拟试验

利用相变材料 (PCM)的熔化潜热来蓄热可以保证空间站太阳能热动力系统在轨道的阴影期内仍能连续发电。针对这一核心技术 ,建立了空间太阳能吸热 -储热器单元换热器地面模拟实验台。在模拟轨道条件下 ,对不同入射热流、不同工质进口温度及不同工质流量进行了多种组合测试。结果表明 ,单管工质气体的出口温升在轨道的日照期和阴影期都达到了预期的要求 ,相变材料容器的最高温度和平均温度都处于材料的安全范围内。     

空间站高温固液相变蓄热容器的实验研究

相变材料(PCM)容器是空间太阳能动力装置吸热—储热器的关键部件。吸热器的蓄/放热性能及其寿命取决于PCM容器的设计与制造是否可靠。文中对PCM容器的结构设计及其制造工艺、PCM的充装工艺、PCM的熔化—凝固特性和空穴的形成、PCM熔点及相变潜热的测量以及PCM与容器材料的相容性这些关键问题进行了试验研究。      

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。     

改进型相变蓄热容器的蓄放热实验(英文)

泡沫镍以其独特的多孔结构而具有优异的性能,可以用来改善固液相变蓄能装置中的空穴分布及传热性能。本文在理论研究基础上设计制造了填充泡沫镍的改进型固液相变蓄热容器,与未填充泡沫镍的蓄热容器一同进行了相变蓄热试验,在不同蓄热温度下进行蓄热实验,研究了蓄热温度对PCM熔化时间的影响。利用铂电阻(PT100)和数据采集模块(ADAM-4000)测得了实验中各蓄热容器的温度变化数据,实验后利用CT扫描得到了容器内部的空穴分布图像。通过对比研究两种容器的温度变化和空穴分布,证明了填充泡沫镍能够有效改善固液相变过程中的空穴分布和传热性能,研究结论对于固液相变蓄热技术的应用具有一定指导意义。     

填充泡沫复合相变材料的热控单元热性能研究

建立了分析可移动电子设备热控制单元(TCU)热性能的二维数学模型,并进行了数值计算.结果表明,填充泡沫复合相变材料(FCPCM)和肋都能很好地提高TCU内相变材料(PCM)的导热性能,能更好地满足电子元件的工作要求,且前者方案更具优势.此外,还对泡沫骨架材料和PCM的选择进行了计算分析,结果表明,孔隙率是影响TCU热性能的重要参数,铝FCPCM具有良好的热性能,PCM的选择应视电子元件的使用设计要求而定.所得结论对移动电子设备TCU的设计和优化有一定的指导作用.     

不同空穴位置下固液相变换热过程的差别

高温蓄热技术是空间太阳能热动力发电系统的关键技术之一。固液相变潜热蓄热是通常采用的蓄热方式。大多数盐类相变材料由液态转变为固态时体积会收缩,在其容器内形成空穴。空穴的存在增大了热阻,从而影响相变换热过程。通过数值模拟计算,分析了两种不同的空穴位置下固液相变换热过程的差别。     

八水氢氧化钡相变材料的强化传热实验

采用差示扫描量热法(DSC)对八水氢氧化钡相变材料进行热物性分析,总结出一种针对结晶水合盐相变温度与潜热准确可靠的测量方法.通过扫描电子显微镜(SEM)获得相变材料与金属容器截面腐蚀情况的图像,证明八水氢氧化钡与紫铜有优良的相容性.分别对含/未含泡沫铜的固液相变蓄热体进行实验研究,结果表明:泡沫铜填充使相变材料在固相区内熔化时间减少了26%,增强了相变材料的传热效果,而且将八水氢氧化钡过冷度降低了50%.      

太阳能热动力系统吸热/蓄热器能量分析

空间太阳能热动力发电系统是一种新型的空间电力系统。吸热 /蓄热器是热动力发电系统关键部件之一。吸热 /蓄热器采用的蓄热方式是相变蓄热。通过对吸热 /蓄热器的能量分析 ,可以很好的了解吸热器的能量传递 ,以及相变材料的工作过程。建立了太阳能热动力发电系统吸热器腔体辐射模型 ,结合换热管的传热模型计算了吸热器的传热过程。得到了吸热器的能量损失、工质吸收能量、PCM的潜热储能和显热储能等重要指标 ,并且得到了换热管最大温度 ,工质出口温度等重要结果。计算结果可以用于吸热器的设计     

高温相变单元管蓄热过程数值模拟

对以高温共晶盐 Li F-Ca F2 为相变材料 (PCM)和以干空气为工质的相变蓄热系统 ,采用焓方法建立了以控制体单元为对象的单管相变蓄热模型。在模拟空间站太阳能吸热 /储热器轨道运行参数下进行了数值计算。计算结果与地面模拟试验数据进行了比较 ,吻合良好。     

空间发电系统热能储存容器的二维模型

高温熔盐相变储热是空间太阳能热动力发电系统的关键技术之一。基于微重力状态下的传热控制微分方程, 采用焓法对相变材料容器进行了二维数值分析。建立了一种新的空穴模型, 改进了以往的模拟计算, 对计算结果给予了讨论。      

超重力下相变材料熔化过程的数值模拟

通过数值模拟的方法,研究了地球重力和超重力条件下相变材料(PCM)的熔化过程,分析了超重力对PCM熔化过程的影响。采用的超重力大小为5倍和10倍地球重力,方向与热流进入方向相反。模拟结果表明,由于PCM导热系数偏小,熔化初期加热面发生过热,须通过耦合其他强化换热措施予以减弱甚至消除。超重力对于PCM熔化过程的影响十分显著。随着超重力的增加,熔化界面的波动幅度增大,熔化速度加快,加热面温度下降,这是因为熔化过程中液相的自然对流作用显著增强。此外,超重力对PCM熔化过程的增强幅度会随超重力的增加而减小,表明超重力的强化换热作用有一定限度,当超过一定值时,该强化作用的效果相对减弱。     

Thermal performance of a 3D printed lattice-structure heat sink packaging phase change material

Thermal storage technology is becoming more and more significant with the increase of high-power equipment in space applications. In this paper, 3D printing technology and Phase Change Material (PCM) were combined into a Thermal Energy Storage (TES) system, which could fulfill the requirements of light weight and high thermal conductivity. A 3D-printed lattice-structure TES plate with N-tetradecane as the PCM and aluminum alloy as the thermal conductivity enhancer was manufactured, and experimentally tested in a thermal vacuum chamber. In addition, a simplified simulation model of the lattice cell was established to clearly analyze the heat transfer process of the TES plate. The effects of initial temperature distribution and heat load gradient on the thermal storage performances were investigated experimentally and theoretically. The equivalent thermal conductivity of the 3D-printed lattice-structure TES plate turns out to be 13 times of the pure PCM thanks to the aluminum skeleton. The heat transfer enhancement appears at the end of the phase change stage due to the sudden mixture of the PCM with different temperature. The simulation results agree well with the experimental data. The equivalent thermal conductivity obtained by the phase change simulations are a little higher than those of the experiments, which is mainly caused by the initial uneven temperature distribution in the tests. Additionally, the effects of non-uniform heat load and the presence of the PCM in the TES plate are studied. This work successfully validates the feasibility and effectiveness of 3D printing technology and TES technology for the temperature control in space applications.     

基于水膜流动与耦合传热的翼型防/除冰计算

针对飞行器防/除冰过程中翼面上空气-水膜-冰层-机翼之间的耦合传质传热现象,建立了一种基于水膜流动与耦合传热模型的翼型防/除冰数值模拟方法。基于Myers水膜流动模型建立了防/除冰热载荷作用下翼面溢流水流动、积冰及内部温度分布的数值计算理论。对于翼型及冰层内的传热现象,利用焓理论及有限体积法建立了复杂多层结构传热的数值模拟方法,对于冰层相变过程,提出了一种基于焓理论的相变修正方法以考虑相变潜热对温度变化的影响。最终实现了翼型防/除冰过程的耦合计算,结果表明:通过结合不同界面处的传热边界条件和考虑了相变潜热效应的焓理论对水膜流动与翼型/冰层传热模型进行耦合求解,能够对翼型/冰层内温度分布进行准确计算,可实现对翼型防/除冰过程中溢流水流动及积冰特性的有效预测与分析。