泡沫铜与相变材料的复合：优化储热性能

来自 实验室仪器网

科研人员近日研究了铜泡沫中非线性孔隙率分布对相变材料(PCM)棕榈酸的热性能和熔化行为的影响。该研究使用焓-孔隙率方法和局部热非平衡(LTNE)模型来分析x和y方向上的正负孔隙率梯度。发表在《能源存储杂志》。

使用PCM的潜热能存储(LTES)系统由于能够在几乎恒定的温度下存储和释放热量，因此可有效实现能量存储和温度调节。PCM在相变过程中吸收或释放能量，但其低导热性限制了传热效率。

加入金属泡沫可提高PCM的热导率，但会降低存储容量并增加系统成本。金属泡沫中的梯度孔隙率提供了一种潜在的解决方案，但非线性孔隙率分布对热性能的影响仍未得到充分探索。本研究通过数值分析了此类孔隙率梯度对PCM的温度均匀性、熔化行为和整体热存储效率的影响。

该研究模拟了一个二维(2D)100×100mm2腔体，其中填充了棕榈酸作为PCM，并嵌入多孔铜泡沫中。除了基线均匀孔隙率(UP)外，还分析了孔隙率梯度（x和y方向上的正和负）的影响。腔体的左壁保持恒定温度，而其余壁则隔热，以研究孔隙率分布对热性能的影响。

利用差示扫描量热法（DSC）分析了棕榈酸的相变特性，由充电曲线得到了相变峰、相变区间、熔化潜热。采用焓-孔隙度法模拟PCM的熔化过程。LTNE模型考虑了PCM和泡沫铜韧带之间的热交换。为了提高建模精度，使用对流项表示相间热传递。

通过COMSOL Multiphysics6.1使用有限元法(FEM)模拟瞬态相变过程，以求解控制系统方程。根据之前报告的100×100×10mm3石蜡-铜泡沫复合材料外壳（孔隙率为97%）的实验结果，检查了这些数值结果的准确性。

不同方向的孔隙率梯度对棕榈酸的热性能有不同的影响。例如，与UP情况相比，沿x方向的正孔隙率梯度显著缩短了熔化时间。这归因于热源附近的热导率增强，从而降低了传导阻力。

值得注意的是，孔隙率较低的区域与热通量较高的区域对齐，有利于更好的传热，从而实现更快的熔化。在众多缩放指数(n)中，n=0.5表现出最大的性能增强，与UP配置相比，熔化时间减少了10.34%，能量存储率增加了16.39%。

由于腔体顶部孔隙率较高，y方向的正孔隙率梯度增强了自然对流。熔化后期熔化速度加快，因为下部区域的热导率更高，改善了热传递并减轻了角效应。值得注意的是，n=0.5时，与UP情况相比，能量存储率提高了24.49%。

优化的2D孔隙率分布在x和y方向上具有正梯度，与UP情况相比，熔化时间减少了22.67%，平均能量存储率增加了32.38%。具有正梯度的非线性孔隙率分布改善了整个系统的温度均匀性。具有优化孔隙率梯度的配置表现出更一致的温度分布和增强的热性能。

该研究分析了非线性孔隙率分布对PCM-金属泡沫复合材料储热性能的影响。研究重点关注二维领域的铜泡沫和棕榈酸体系，评估储能密度、熔化时间、储能速率和温度均匀性等指标。

结果表明，二维孔隙率梯度改善了不同熔炼阶段的传热，从而使熔炼过程更加高效和均匀。然而，这些发现只针对研究条件，可能会因热源温度和位置、平均孔隙率、几何尺寸和长宽比等参数的变化而有所不同。

需要进一步研究以了解这些因素如何影响最佳孔隙率分布。将孔隙率梯度与不同熔化阶段的主要传热机制相结合可以提高热存储系统的效率。

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