相变储能材料/脉动热管耦合传热性能研究

随着社会的不断进步,能源与环境问题日益凸显,节能减排日益迫切,热能存储利用和发展新能源汽车是两个十分具有潜力的方向,热能存储利用能够进一步提高能源利用效率,发展新能源电动汽车能够减少化石能源使用,促进新能源开发,从而降低污染物排放,电池热管理技术成为新能源汽车四大核心技术之一,近年来成为研究的重点和热点。相变材料在热管理和热能存储利用上潜力巨大,脉动热管既可以用其优势弥补相变材料导热系数低的问题,也能连通相变材料与外界,作为良好的热传输媒介。本文一方面针对基于三种不同传热介质的圆柱形动力电池热管理开展参数化地数值模拟研究,揭示不同条件下电池热管理系统的热量传递规律;另一方面针对面向热管理和热能存储利用两方面应用的相变材料/脉动热管耦合热性能开展实验研究,分析耦合结构的热质传递规律。主要研究内容与结论如下:(1)针对圆柱形锂离子动力电池,分别构建基于空气冷却的电池组数值模型、基于微小通道液冷套筒和相变材料冷却的老化42110型电池热管理数值模型,研究电池直径、入口风速、入口雷诺数、通风方式、间距与电池直径的比值、冷却水流量、冷却水流向、电池正负极排列方式、相变材料导热系数以及潜热对温升以及温度分布的影响。结果表明:改变流经相邻电池列之间空气的流动方向不一定能提高热管理性能,相反会增加结构复杂性。随着电池直径的增加,电池间距与直径比值的最优值逐渐降低,接近线性关系。针对产热不均匀的老化电池,微通道液冷方案具有很强的控温能力,但随着流量的增加,电池的最高温度降幅减小,继续增加流量,效果不明显,在不同流量时局部温差仍然较高。填充相变材料能在一定程度上降低电池模块最高温度,但随着导热系数的增加,最高温度降低不明显。在单体电池固有较大温差情况下,电池正负极排列采用方案I,降低相变温度和增加导热系数均难很好地控制电池模块温度均匀性,对于正负极出现产热不均匀的老化电池组,采用方案II或方案III是必要的,但采用相变冷却方式也很难提高电池模块的温度均匀性。(2)制作加工出不同弯头数的闭合回路脉动热管,搭建脉动热管性能测试实验平台,研究了不同弯头数、不同冷却工况以及不同安装角度对脉动热管启动温度、热阻以及热负荷范围的影响。结果表明:所制作的三弯头、四弯头和五弯头均有较大的负荷范围,其启动温度分别在51℃、72℃和95℃左右,启动温度随着弯头数的增加而升高,相比于三弯头和四弯头脉动热管,五弯头脉动热管启动时所需要的加热功率增加。当弯头数一定时,脉动热管的热阻随着加热功率的增加而降低,在同一加热功率下,热阻随着脉动热管弯头数的增加而上升,这一点与前人研究得到的规律类似。在低功率加热情况下,相对于四弯头和五弯头脉动热管来说,三弯头脉动热管更容易出现不稳定工作的情况,且不稳定情况无规律可言,当加热功率增大到一定程度之后,一般不会出现振荡不稳定的情况。当安装角度为0o时,三弯头脉动热管不会稳定启动,弯头数较少时,重力对脉动热管维持稳定工作的作用巨大,在同一加热功率下,随着安装角度增加,脉动热管的热阻呈现出先迅速减小后缓慢变化的趋势;在同一安装角度下,随着加热功率的增加,脉动热管的热阻逐渐降低,并且脉动热管的热阻受安装角度影响明显的角度区域变小。(3)分别搭建面向热管理和储热应用的相变储能材料/脉动热管耦合特性实验平台,研究了不同的加热功率下石蜡/三弯头脉动热管的耦合传热特性,以及在不同的加热功率,不同的倾斜角度,以及填充不同的储热材料时,对脉动热管和水、脉动热管和石蜡相变材料以及脉动热管和石蜡/膨胀石墨复合相变材料的耦合热性能进行了对比实验研究。结果表明:对于相变材料/脉动热管耦合系统,脉动热管的启动温度应该低于相变材料的相变温度。相对单纯的石蜡相变材料模块,在加热的过程中,石蜡相变材料/脉动热管耦合模块具有更好的动态热性能,熔化过程更为缓慢,在冷却的过程中,石蜡相变材料/脉动热管耦合模块具有更好的静态热性能,相变材料降温时间大大缩短。在储热过程中,脉动热管埋入相变材料中的一段充当冷凝段,热管内部工质的蒸汽在该区域冷凝放热,实现热量由加热段向相变材料中输送的目的;在放热过程中,脉动热管埋入相变材料的一段充当蒸发段,由于相变材料的温度高于脉动热管的启动温度,脉动热管依然可以正常工作,实现热量由相变材料向冷凝段输送的目的。对于两种耦合模块,脉动热管的工作性能均对相变材料内部温度的影响十分大,脉动热管的工作状况直接影响相变材料/脉动热管耦合模块的热传递效率,稳定工作的脉动热管振荡停止时,相变材料的温度迅速上升。提高相变材料的导热系数,能够缩小其内部温差,提高储放热效率,安装角度对放热效率影响较小,相变材料/脉动热管耦合模块具有较好的循环工作性能。