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热能是全球最大的终端能源利用方式,供热占据全球终端能源消费的50%左右,其中,在工业领域超过74%的热能被以过程热的形式消耗。目前,制约相变储热行业发展的最大问题就在于,商业化相变材料导热系数太低。因此,本文设计了一种平均孔隙率为0.95的梯度泡沫铜,并将孔隙率0.95的均质泡沫金属和梯度泡沫金属分别浸入相变材料己二酸(熔点为153℃)中,组成复合相变材料。基于管壳式换热器概念设计相变储热单元,即换热工质硅油从内管流过,壳体内填充复合相变材料,使得换热工质与复合相变材料中储存的热量进行交换,壳体采用石英玻璃管从而方便观察相变过程。为了对不同相变储热单元热性能的影响进行实验探究和对比,搭建了一套实验室尺度的中温太阳能储热系统。同时,为了确保各个储热单元的实验条件一致,用CFD的方法设计了一个流动分配器,使得通过各个储热单元的换热工质拥有相同的入口温度和流量。评估不同储热单元在充热和放热过程的热性能,而且还探究了不同流量的换热工质对充热性能的影响。本文的主要研究结论如下:(1)实验结果表明,同在相变材料中添加均质泡沫金属相比,不论是充热还是放热过程,梯度泡沫金属都可以有效增加热传递速率,提高各个潜热储热单元温度均匀性。(2)在充热过程中,梯度泡沫铜相变储热单元的整体融化时间为8110秒,而相对应均质泡沫铜相变储热单元则需要13010秒才能完成融化过程,相变材料整体的熔化时间可以减少37.6%。同时,梯度泡沫铜相变储热单元相较于均质泡沫铜相变储热单元的平均功率也有所提高。(3)研究结果还表明,增大入口流量虽然可以对储热单元充热性能有所增强,但是这个影响并不明显。这个中温储热实验首次证实了应用梯度多孔介质可以增强管壳式相变储热系统热性能,为增强相变材料储热性能的方式提供了一个新的思路,这个结论对于潜热储热和太阳能中温热利用非常重要。