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哈工大基于仿生葫芦的相变材料胶囊

  研究背景
  太阳能等低碳和可再生能源的利用和储存受到了广泛的研究关注。太阳能因其无污染、易获取、成本低廉等特点,已被广泛应用于能源利用和转化。利用和储存太阳能对于有效提高能源利用率和优化能源构成结构具有重要意义。热能存储(TES)系统可以获得太阳能,并在回收工业废热和通过调峰减少传统燃料的使用方面表现出优异的性能。TES系统主要包括三种传热方式:基于显热传递的显热蓄热(SHTES)、基于潜热传递的潜热蓄热(LHTES)和基于化学键的形成和断裂的热化学储热(THTES)。LHTES因其较高的储能能力和较低的能量质量损失而被广泛应用于建筑保护、太阳能光伏系统和太阳能光化学系统。填充床LHTES由不同形状的相变材料(PCM)胶囊和满足传热流体(HTF)和PCM热交换空间要求的热交换器组成。传统的球囊受到其低传导率和受限传热面积的限制。因此,利用复合材料提高PCM的导热性和开发创新的封装形状以扩大传热面积是提高LHTES性能的两种主要方法。然而,很少有研究调查具有新型外壳的胶囊,因此,探究新型外壳的胶囊在提高LHTES性能方面还有待研究。
  研究内容
  哈尔滨工业大学动力与能源工程学院受仿生学原理的启发,设计并提出了一种仿生葫芦形胶囊作为储热单元,以提升TES的能力。对三种不同形状的胶囊(球体、耦合球体和仿生葫芦形)之间的约束熔融性能和流动特性以及变形优化进行了数值分析和实验测试。实验和数值结果表明:(1)仿生葫芦胶囊的喉部结构对受约束的熔融过程具有显著的促进作用,仿生葫芦胶囊的受约束熔化时间比球形胶囊缩短了18.2%。(2)不同R和L的n几何优化表明,在雷诺数不变的情况下,努塞尔数随着n的增大先减小后增大,在n=0.67时努塞尔数达到最小值。(3)结合具有不同r和L值的n的几何优化,推断几何参数L/R=1.53和L/r=2.53的仿生葫芦形胶囊具有最佳热性能。(4)与球形胶囊相比,仿生葫芦胶囊的阻力系数降低了34.2%,由于喉部结构引起的尾部湍流耗散,仿生葫芦胶囊的尾涡面积较小。相关成果以  "Biomimetically calabash-inspired phase change material capsule: Experimental and numerical analysis on thermal performance and flow characteristics"  为题发表在知名期刊 《Journal of Energy Storage》(IF= 6.583) 上。
  主要数据
  图1 . 熔化实验装置的示意图和实际视图
  图2 . 热电偶位置:(a)球体;(b)耦合球体;(c)仿生葫芦
  图3 . 仿生葫芦形胶囊的受约束熔融相前沿
  图4 . 不同形状胶囊的实验液体分数比较
  图5 . 不同形状胶囊的完全受限熔化时间
  图6 . 仿生葫芦胶囊的数值温度变化
  图7 . Re=200时各种形状胶囊的瞬时流线
  图8 . 不同R和L参数的各种复合因子的阻力系数
  图9 . 各种r和L对仿生葫芦胶囊热性能的影响
  原文链接
  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X22008660?via%3Dihub
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