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应用于火灾救援机器人的相变胶囊多层堆积热防护数值研究

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沈阳工程学院学报（自然科学版） 2024年第1期20卷 82-88页

作者：王潇李永强刘天奇张国伟沈阳航空航天大学安全工程学院辽宁沈阳110136 沈阳工程学院机械学院辽宁沈阳110136

持续高温的工作环境产生的热量是导致火灾中救援机器人电子元器件失效的主要因素。因此,为了设计合理地保护救援机器人内部电子元器件的热防护结构,利用COMSOL Multiphysics软件分别建立了相变胶囊复合结构、热障-隔热双层结构及玻璃棉... 详细信息

持续高温的工作环境产生的热量是导致火灾中救援机器人电子元器件失效的主要因素。因此,为了设计合理地保护救援机器人内部电子元器件的热防护结构,利用COMSOL Multiphysics软件分别建立了相变胶囊复合结构、热障-隔热双层结构及玻璃棉胶囊复合结构模型,通过数值模拟的方法对比3种结构的热防护性能。然后,通过改变相变胶囊尺寸和堆积方式,设计了相变胶囊单层堆积结构、双层堆积结构和大小胶囊混合堆积结构,进一步探究了相变材料含量和堆积方式对热防护效果的影响。结果表明:应用相变材料的相变胶囊复合结构具有更优秀的热防护性能;在整个加热期内,大尺寸相变胶囊堆积的单层结构内壁平均温升相较于双层堆积结构和混合堆积结构分别降低了41.8%和29%,表现出更优的热防护效果。

关键词：救援机器人热防护相变胶囊数值研究

应用于深井脉冲源装备的有序堆积相变胶囊热防护数值研究

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科学通报 2023年第2期68卷 282-292页

作者：麻世鸿何峻杰王秋旺吴坚褚雯霄西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室西安710049 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049

针对深井恶劣环境下脉冲功率源装备内电子元件的热防护问题,本文利用数值方法对比了多种有序堆积相变胶囊复合结构的热防护性能,探究了相变胶囊尺寸、堆积方式等对热防护性能的影响,提出了热流密度评价指标与内壁温度数学预测模型.结果... 详细信息

针对深井恶劣环境下脉冲功率源装备内电子元件的热防护问题,本文利用数值方法对比了多种有序堆积相变胶囊复合结构的热防护性能,探究了相变胶囊尺寸、堆积方式等对热防护性能的影响,提出了热流密度评价指标与内壁温度数学预测模型.结果表明,相变微胶囊-玻璃棉复合结构具有较好的热防护性能,内壁温上升速率相较于玻璃棉填充结构可降低13.8%,但相变材料的含量制约着热防护效果;使用大尺寸的相变胶囊,增大相变材料比例的同时可形成封闭气孔,相比于相变微胶囊-玻璃棉复合结构,内壁温升幅度进一步降低了19.3%.通过改善相变胶囊堆积结构,发现采用大尺寸相变胶囊单层阵列结构的热防护性能更优.最后,提出了相变胶囊单层阵列热防护结构下内壁温升预测公式,预测值与数值模拟结果的平均误差低于7%.

关键词：脉冲源相变胶囊热防护数值研究温度预测

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相变胶囊型热调控及热存储装置的性能研究

相变胶囊型热调控及热存储装置的性能研究

作者：陈冬连东南大学

学位级别：硕士

相变胶囊作为新型储热介质,不仅可以储存和释放大量能量以提高能源的利用率,还可以调节温度实现信息传递、动态防伪、红外隐身等功能,在太阳能热利用、电子设备热管理及功能材料热调节等领域具有广泛的应用前景。目前,国内外对于相变胶... 详细信息

相变胶囊作为新型储热介质,不仅可以储存和释放大量能量以提高能源的利用率,还可以调节温度实现信息传递、动态防伪、红外隐身等功能,在太阳能热利用、电子设备热管理及功能材料热调节等领域具有广泛的应用前景。目前,国内外对于相变胶囊热调控性能的研究已经有了一定的进展,但是对相变胶囊信息编码性能及影响因素的讨论和分析还不够全面,且高效、可靠相变胶囊的制备方法也亟待发展,除此之外,现有基于相变胶囊的堆积床蓄热系统流动传热影响机制尚未得到完全揭示。为了解决上述问题,本文采用了数值模拟与实验相结合的手段深入揭示了相变胶囊型热调控膜片的编码信息传递特性以及影响因素的内在机制,并且基于重力辅助协流式微流控封装法制备了核壳结构稳定且单分散性良好的相变胶囊,还对其形貌特征、热性能以及稳定性进行表征;另一方面,提出了一种可快速实现有序堆积的相变胶囊堆积床蓄热系统,数值研究了格栅式堆积床蓄热系统的流动与传热特性,并系统揭示了工况条件以及堆积床结构对其流动传热性能的影响规律。概括起来,本文的主要研究内容及研究结论如下:(1)建立了相变胶囊型热调控膜片的数值模型,研究了不同相变胶囊布局及外部条件下相变膜片的信息编码性能,分析了加热温度、相变胶囊热物性参数和相变胶囊粒径对相变膜片信息编码的影响规律。研究表明:相变胶囊型热调控膜片在加热过程具有良好的信息编码能力,但是编码信息传递仅发生在一定时间范围内且随着时间变化编码信息会逐渐变得不清晰甚至会失真。而且,不同编码信息出现的时刻虽然比较相近,但是不同编码信息稳定传输及持续的时间不同且信息失真情况也不相同。需要说明的是,加热温度增加、PCM热导率减小、PCM相变焓增加以及相变胶囊直径增大均会导致相变胶囊型热调控膜片在加热过程中开始信息传递的时刻越早且传递信息的清晰度越高。然而,加热温度增加会导致编码信息稳定传递的时长缩短,PCM热导率减小对编码信息传递时间的影响几乎可忽略,而PCM相变焓增加和相变胶囊直径增大反而会延长编码信息的传递时间。(2)利用多相流微流控封装方法制备相变胶囊并表征相变胶囊的表面形貌和热物性,同时,基于相变胶囊制备了相变胶囊型热调控膜片,并开展相变胶囊型热调控膜片的热调控性能测试。研究表明:基于多相流微流控技术的重力辅助协流式微流控装置可以可控地将PCM封装到具有较高单分散性和可靠性的核壳结构胶囊中,还可以通过调节内相和外相的流速来精确控制相变胶囊的尺寸。而且,基于这一方法制备的相变胶囊具有核-壳结构完整、壳层致密、单分散性良好以及包封成功率接近100%的优势。与纯相变材料相比,相变胶囊的熔化/凝固焓值虽有所下降,但是其热稳定性以及耐热性得到了显著提升。除此之外,进一步论证了基于相变胶囊的热调控膜片仅能够在加热过程某一时间段实现编码信息稳定传输的结论。(3)建立了基于相变胶囊的堆积床相变蓄热系统的理论模型,数值研究不同外部条件下堆积床蓄热系统的流动与传热特性,并分析了换热流体温度及速度、初始温度、堆积深度和相变胶囊粒径对堆积床蓄热过程的影响规律。研究表明:堆积床蓄热系统内的流体沿流动方向呈现近似周期性流动规律,且相变胶囊上下游间存在部分回流区导致局部流速分布不均匀。而且,由于传热滞后效应,距离入口越近的相变胶囊表面温度越高,且相变胶囊的顺流面比逆流面的温度更高、换热性能更好,同样,相变胶囊内部各点的温升速率不同且越接近中心处测点的温升速率越慢。然而,堆积床蓄热系统内各相变胶囊的熔化趋势十分相似,蓄热时间均在720 s左右且储存热量均为31 J。需要说明的是,换热流体温度的增加不仅可以加快堆积床的蓄热进程,在一定程度上还提高了蓄热量;换热流体速度的增加可以缩短堆积床蓄热时间,但不改变蓄热总量;初始温度的增加对堆积床蓄热时间的影响较小,但使得总蓄热量有所降低;堆积深度的增加,可以有效提高堆积床的蓄热量,但蓄热时间有所延长;相变胶囊的粒径减小,使得相同蓄热量下堆积床的蓄热时间明显缩短。本文研究成果可以为相变胶囊在热调控领域及堆积床相变储热领域的应用提供新思路,而且,可为相变胶囊型热调控膜片的信息编码功能提供有力的数据支撑。

关键词：相变胶囊相变膜片热调控堆积床

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相变胶囊级联布置堆积床蓄热特性实验研究

中国电机工程学报 2020年第18期40卷 5963-5971页

作者：张仲彬张天宇孟雨欣东北电力大学能源与动力工程学院吉林省吉林市132012

蓄热胶囊级联设计是提高相变蓄热系统性能的一种有效的方法。为解决相变胶囊级联的优化组合问题,建立了相变胶囊级联布置堆积床蓄热装置,采用4种不同热物性的石蜡作为相变材料(phase change materials,PCMs),根据熔点不同分层布置。研... 详细信息

蓄热胶囊级联设计是提高相变蓄热系统性能的一种有效的方法。为解决相变胶囊级联的优化组合问题,建立了相变胶囊级联布置堆积床蓄热装置,采用4种不同热物性的石蜡作为相变材料(phase change materials,PCMs),根据熔点不同分层布置。研究了蓄、放热过程中相变胶囊级数和相变材料熔点对蓄热系统性能的影响,通过计算蓄、放热时间,蓄、放热量,能效率,?,?效率和火积耗散等指标来分析和评估系统的性能。结果表明:相变材料的熔点组合和级数对系统性能影响大,在从蓄、热过程中平均熔点更高的级联布置方式储存能和?更多,能效率更高,火积耗散小。但温升慢,蓄热时间长。

关键词：级联布置热特性相变胶囊堆积床蓄放热

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相变胶囊的蓄放热特性分析

太阳能学报 2005年第6期26卷 825-830页

作者：张海峰葛新石叶宏中国科学技术大学热科学与能源工程系合肥230027

运用显热容法对相变胶囊在外部对流换热条件下的蓄放热特性进行了分析。对STEFAN数、BIOT数、相变半径等影响因素的分析结果表明,相变胶囊的优点表现为持续稳定的热流特性、对相变材料的导热性能要求不高、换热效率高、适用于在小温差... 详细信息

运用显热容法对相变胶囊在外部对流换热条件下的蓄放热特性进行了分析。对STEFAN数、BIOT数、相变半径等影响因素的分析结果表明,相变胶囊的优点表现为持续稳定的热流特性、对相变材料的导热性能要求不高、换热效率高、适用于在小温差条件下的热能存储和供给。

关键词：相变胶囊蓄放热特性显热容法

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相变胶囊无序堆积级联布置蓄热特性数值分析

中国电机工程学报 2021年第16期41卷 5634-5642页

作者：张仲彬朱长林孟雨欣东北电力大学能源与动力工程学院吉林省吉林市132012

相变胶囊梯级布置是改善堆积床蓄热性能的有效手段。建立三维相变胶囊无序堆积梯级布置堆积床模型,并对其蓄热特性进行数值研究。分析了换热流体进口速度、温度和相变材料初始温度对其蓄热特性的影响。比较在蓄热过程中相变胶囊无序堆... 详细信息

相变胶囊梯级布置是改善堆积床蓄热性能的有效手段。建立三维相变胶囊无序堆积梯级布置堆积床模型,并对其蓄热特性进行数值研究。分析了换热流体进口速度、温度和相变材料初始温度对其蓄热特性的影响。比较在蓄热过程中相变胶囊无序堆积级联布置堆积床的蓄热时间、液相率、蓄热速率、蓄热量和㶲效率等参数变化。结果表明,换热流体入口温度对相变胶囊无序堆积梯级布置堆积床的蓄热性能有明显的影响,而换热流体进口速度和相变材料初始温度的影响相对较小,该研究为其的优化运行提供重要的指导作用。

关键词：蓄热特性相变胶囊无序堆积级联布置数值模拟

PVA/PAN包覆石蜡的相变胶囊的制备和应用

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PVA/PAN包覆石蜡的相变胶囊的制备和应用

作者：杨子健天津工业大学

学位级别：硕士

在推动高质量发展的今天,对于能源的利用率提出了更高的要求,相变材料作为一种可重复使用的储能材料在新发展格局下大有作为,具有很高的研究和应用价值。但是相变材料在使用过程中不可避免地产生泄露问题,所以可以采用相变胶囊的方式来... 详细信息

在推动高质量发展的今天,对于能源的利用率提出了更高的要求,相变材料作为一种可重复使用的储能材料在新发展格局下大有作为,具有很高的研究和应用价值。但是相变材料在使用过程中不可避免地产生泄露问题,所以可以采用相变胶囊的方式来封装相变材料让泄漏量减少。相变胶囊可以使用在诸多场景,比如:建筑业、纺织工业以及太阳能水蒸馏处理中。但是,在使用过程中相变胶囊还是存在很多问题,例如如何实现零泄漏和增加储能效率。针对这些问题,本论文的主要研究内容为双层相变胶囊的制备和应用效果,具体介绍如下:首先通过模板-平衡法,制备得到了直径为3 mm左右,形状为规则球体的石蜡粒子。通过实际涂覆效果,选取15%聚乙烯醇(PVA)溶液和15%聚丙烯腈(PAN)溶液作为涂覆液,通过层层涂覆法得到PVA/PAN相变胶囊。根据光学显微镜和红外谱图等表征,证明PVA和PAN成功地涂覆在石蜡粒子表面;泄漏量测试证明双层相变胶囊能够实现零泄露;差式扫描量热仪(DSC)测试显示双层相变胶囊的相变焓为111.5 J/g;热重分析仪(TG)表示双层相变胶囊具有良好的热稳定性;测试双层相变胶囊的水接触角为69.4°,为亲水性。接着自制了太阳能蒸馏器,并得到了氙灯模拟条件,之后在氙灯模拟实验中,发现加入质量百分比4%、8%、12%的双层相变胶囊,相较于纯水蒸馏量,分别使水蒸馏量提高了5.8%,11.6%,17.1%,证明双层相变胶囊对于太阳能蒸馏水量具有明显提升作用。本研究按照先制备出形状规则的石蜡粒子,再在石蜡粒子表面进行层层涂覆的实验思路,制备了双层相变胶囊,实现了相变胶囊的零泄漏和具有较大的相变焓,为制备相变胶囊提供了新的思路和方法。

关键词：石蜡相变胶囊表面涂覆聚乙烯醇聚丙烯腈

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相变胶囊堆积形态对蓄热系统性能的影响分析

太阳能学报 2021年第2期42卷 37-42页

作者：张仲彬孟雨欣刘永强东北电力大学能源与动力工程学院吉林132012

建立相变蓄热胶囊的三维有序及无序堆积模型,在此基础上分析相变蓄热胶囊有序及无序对蓄热系统特性的影响。通过对蓄热系统的蓄热量、蓄热用时、蓄热效率及系统内温度分布等关键性能指标情况分析,提出一种判定蓄热终点的新方法。结果表... 详细信息

建立相变蓄热胶囊的三维有序及无序堆积模型,在此基础上分析相变蓄热胶囊有序及无序对蓄热系统特性的影响。通过对蓄热系统的蓄热量、蓄热用时、蓄热效率及系统内温度分布等关键性能指标情况分析,提出一种判定蓄热终点的新方法。结果表明:当采用有序堆积时系统的各项性能指标最优,叉排堆积时蓄热效率最低,而无序堆积时蓄热总量最少。另外,换热流体流速增加可加快蓄热过程,但此时蓄热系统蓄热效率较低。

关键词：相变蓄热相变胶囊无序堆积有序堆积

基于引入空腔策略的铜基金属相变胶囊的制备及储热特性研究

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基于引入空腔策略的铜基金属相变胶囊的制备及储热特性研究

作者：葛云飞中国矿业大学

学位级别：硕士

可靠的高温相变材料对于太阳能热利用、工业余热回收等领域的储热技术至关重要。金属相变材料因其优异的储热密度和导热性能成为了高温相变材料的首选。然而,在相变过程中,金属相变材料容易发生泄漏和腐蚀,因此需要在使用前进行定型封装... 详细信息

可靠的高温相变材料对于太阳能热利用、工业余热回收等领域的储热技术至关重要。金属相变材料因其优异的储热密度和导热性能成为了高温相变材料的首选。然而,在相变过程中,金属相变材料容易发生泄漏和腐蚀,因此需要在使用前进行定型封装,制成具有核壳结构的相变胶囊。但是,如何开发具有良好蓄热能力和长时间循环稳定性的高温金属相变胶囊仍然面临困难,因为金属相变材料在高温相变期间会发生体积膨胀,导致外壳破裂。因此,本文基于高温铜基金属相变材料,研究了铜基金属相变大胶囊的制备,表征了胶囊的材料特性和热物理特性,评估了具有空腔的胶囊的热循环稳定性,并探讨了核壳尺寸和空腔体积对胶囊储热性能的影响。论文主要工作如下。首先,以Cu粉和γ-AlO粉作为原料,采用粉末成球压制法将Cu粉球化为毫、厘米级的球体,并在其表面包覆一层AlO外壳胚体,经低温预烧和高温煅烧处理后,成功制备出核壳之间含有空腔的Cu@AlO相变大胶囊。为优化Cu@AlO胶囊的储热密度,增大了核芯尺寸,减小了壳层厚度,并对核芯胚体采取了等静压压制处理,最终成功制备了核芯更大、外壳更薄、空腔更适宜的Cu@MgO-Si O/AlO相变大胶囊。热分析表明,金属核芯的熔点约为1062℃,潜热约为210 J/g。熔化-凝固热循环实验表明,Cu金属胶囊具有良好的循环稳定性。此外,Cu金属胶囊具有较高的储热密度,尺寸为9@1.5-100MPa的Cu金属胶囊在1000-1100℃的温度区间内,单位质量和单位体积的储热密度分别为222J/g和842 MJ/m。其次,为了调控Cu金属相变大胶囊适用的工作温度,采用原位合金化法制备了Cu-Si合金相变材料,同时对其进行定型封装。首先将Cu粉和Si粉混合得到均匀的Cu/Si粉,随后将其球化为毫、厘米级的Cu/Si粉球,并在其表面包覆AlO壳,形成胶囊胚体。经两步烧结热处理后,成功制备出适用于800℃级别的Cu-Si@AlO相变大胶囊。通过调整核壳尺寸和空腔体积,对Cu-Si胶囊的储热能力进行了优化。熔化-凝固循环实验表明,Cu-Si胶囊具有良好的循环稳定性,可长期重复使用。此外,Cu-Si胶囊还表现出较为优异的储热性能,尺寸为9@1.5-150MPa的胶囊在750-850℃的温度区间内具有198 J/g和816 MJ/m的高储热密度。最后,除了调配Cu-Si合金可以调控胶囊的相变温度外,通过调配Cu-Ge合金同样能够实现相变温度的调控。以Cu粉和Ge粉作为核芯原料,采用粉末成球压制法和两步烧结热处理成功制备出适用于600℃级别的Cu-Ge@AlO相变大胶囊。通过调整核壳尺寸和减小空腔,优化了胶囊的储热能力。热循环实验结果表明,Cu-Ge胶囊的热循环稳定性良好。此外,Cu-Ge胶囊具有较高的储热能力,其中尺寸为9@1.5-100MPa的胶囊在600-700℃的储热密度达到了211 J/g和719 MJ/m。总之,本文采用粉末成球压制法和两步烧结热处理,成功制备了一系列适用于600-1100℃的铜基金属相变大胶囊,所制备的胶囊具有良好的热循环稳定性和较高的储热密度,这对于高温领域相变储热技术的发展具有重要的促进作用。

关键词：热能储存相变胶囊相变材料空腔热管理