相变材料凝固过程体积变化对传热/储热影响特性研究

Latent heat storage is of high applied value because of the high energy density in a narrow temperature range of phase change material (PCM). Due to density difference between solid and liquid phases, the volume shrinkage of PCM during solidification would decrease the efficiency and progress of charging process and next discharging process seriously. This goes against the actual application of latent heat utilization. The bigger the volume change rate, the greater the decrease degree...This study focuses on the volume change of PCM in phase change heat exchanger during solidification. The volume change form will be characterized, and fundamental research of the effect of volume change of PCM on heat transfer/heat storage will be carried out. Firstly, through a literature investigation, the coupling theoretical model between volume change of PCM and heat transfer will be established, and the validity will be verified. Secondly, an experimental setup will be set up, with the help of visualization and temperature measurement methods, the formation mechanism of volume change during solidification of PCMs will be revealed. And then the effects of size of thermal storage unit, cooling conditions, initial temperature of PCM, and type of PCM on volume change, heat transfer, and heat storage will be experimentally studied. Thirdly, by comparing the theoretical calculation results with the experimental data, the theoretical model will be refined, and we will explore the forecasting method and regulating means of the volume change of PCM during solidification. The successful implementation of the study will provide theoretical basis and problem-solving method for practical application of latent heat thermal storage.

相变材料在较小温度范围内具有较大的储能密度，因此应用价值很高。由于相变材料固液相之间的密度差，其在凝固过程中的体积收缩会严重影响储/释热循环中当次释热及下一次储热过程的效率和进程，且相变体积变化率越大，影响越大。.本项目以相变换热器内相变材料凝固过程的体积变化为研究对象，表征体积变化的形态和演化规律并对体积变化对传热/储热影响规律进行基础研究。首先通过文献调研，建立相变材料体积变化和传热耦合理论模型，并验证其有效性。随后搭建相变实验台，采用可视化及温度测量方法，揭示相变材料凝固过程体积变化的形成机理。然后实验研究相变储热单元尺寸、冷却条件、初始温度、相变材料类型等对凝固过程体积变化和传热/储热的影响规律。最后将理论模型计算结果和实验对比验证并改进模型，探索相变材料凝固过程体积变化的预测方法和调控手段。本项目的成功实施将为相变储热的实际应用提供理论依据和问题解决手段。

本项目以固-液相变材料（PCM）凝固过程的体积变化为研究对象，利用可视化观测、温度测量、图像处理和CT检测等方法，表征PCM凝固和下一次热循环熔化过程的体积变化、相变传热关键参数；利用焓法和VOF模型，建立相变过程的固-液-气三相传热数学模型，开展了一系列实验和模拟研究。主要研究内容及成果包括：.1）通过与文献中实验数据对照，需综合考虑瞬态固-液-气相界面位置和液相率情况，获得最佳的熔化过程和凝固过程糊状区系数。所建立的数学模型可较准确得到相变体积变化中的一次缩孔。.2）凝固后的CT测量表明：固态PCM顶部形成了类似漏斗状的一次缩孔，一次缩孔下面形成若干联通的孔径较大的二次缩孔，在PCM内部存在大量mm量级的缩松。凝固过程中，通过高分辨率相机，观察到PCM沿球形相变单元内壁面一层一层向内部结晶，并形成随机性细微孔穴（缩孔），顶部PCM凝固较慢，形成较明显的一次缩孔。不同凝固过程热条件对下一次熔化过程影响较小，这主要是凝固模式的一致性及液态PCM凝固成核的随机性造成的。.3）在熔化过程，固态PCM左右随机摆动，倾角在5-20°之间，针对性开发的图像处理方法，对固-液相界面的捕捉平均误差小于0.9%。熔化初期，固态PCM有机率短时间浮在熔化的PCM上，称为漂浮熔化。漂浮熔化模式的传热速率小于接触熔化模式，漂浮熔化的出现与实验参数直接关联性不强，存在随机性和偶然性。在大部分熔化时间，固态PCM的熔化伴随着大量上浮气泡。气泡直径分布近似符合高斯分布。.通过以上研究成果，获得了PCM在相变单元内的熔化/凝固过程固-液-气相的时空变迁和温度速度等参数的变化规律。PCM结晶凝固过程形成了一次缩孔、二次缩孔和缩松，阻碍了相变传热。本项目研究深化了对相变储热过程中PCM的体积变化和传热耦合的认识，对推动相变储热的实际应用具有重要意义。