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。     

容器热物性参数对蓄热系统性能影响的数值研究

建立了分析潜热蓄热系统蓄热性能的二维数学模型,并进行了数值计算.其中考虑了容器壁面的导热,且相变传热只考虑导热模型,对相变材料(PCM)相变过程的求解采用解耦法计算模型.对几种不同材料容器内PCM熔化过程进行了数值计算比较,结果表明,容器材料的导热系数、比热容和密度等热物性参数对PCM的熔化有很大的影响.此外还对不同初始温度和边界壁温对PCM熔化的影响进行了数值计算.所得结论对潜热蓄热系统的热性能及其优化设计有一定的指导作用.     

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。     

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。     

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     

相变材料热控系统内部接触热阻的辨识方法研究

在相变材料热控系统的吸热融化过程中,由于材料与容器壁面之间的空穴效应形成的接触热阻,将对熔化传热形成阻尼效应。采用反演热传导反问题的方法,将参数辨识中的灵敏度法和共轭梯度法应用到实验,建立了一种可用于材料熔化过程界面稳态和瞬态接触热阻的辨识方法。模拟辨识与初步应用表明：辨识方法计算精度高、稳定性好,为精细化分析相变材料热控系统中的熔化吸热过程奠定基础。     

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.     

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%.     

导热增强型相变材料温控试验

为满足高超声速飞行器舱内温度要求,提出了在舵轴热短路区域使用相变材料进行热耗散的方案.通过开展导热增强型相变材料温控试验,获得了不同试验方案对舵轴及周围金属壳体的降温效果.结果表明,导热增强型相变材料由于良好的导热性能,能够很好地发挥相变吸热能力,对降低舵轴热短路区域的局部高温具有显著效果;金属壳体内、外同时使用低温和中温相变装置,能够将舵轴周围金属壳体温度控制在允许工作温度范围内(150℃).本研究可为飞行器舵轴温控设计提供指导.     

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.     

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.     

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。