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Hao Zhou
Author with expertise in Thermal Energy Storage with Phase Change Materials
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Experimental study of solid particles in thermal energy storage systems for shell and tube heat exchanger: Effect of particle size and flow direction

Mengting Ji et al.Jun 22, 2024
The solid particle thermal energy storage method offers cost-effective, simple, and high-temperature suitable solutions. It effectively resolves chemical compatibility and thermal stress issues in shell-and-tube heat exchangers. This work studies the quartz sands' particle sizes and flow direction's impact on heat exchanger performance. The results show that heat conduction and natural convection heat transfer mechanisms exist on the particle side. Flow direction minimally affects charge/discharge time and stored energy but significantly impacts delivered/recovered energy and exergy and energy and exergy efficiencies. Optimal performance is achieved when HTO enters from the top during charging and from the bottom during discharging, creating a transparent thermal gradient of "Top Temperature High, Bottom Temperature Low". This distribution minimizes natural convection losses, resulting in a 15–17 % increase in energy efficiency and an 11–13 % increase in exergy efficiency compared to reverse flow. Smaller particles show slightly faster temperature rise due to lower energy storage density. Large and medium particles perform well, achieving energy efficiencies of 81.5 % and 81.0 % and exergy efficiencies of 62.1 % and 61.8 %, respectively. Small particles have an energy efficiency of 79.0 % and an exergy efficiency of 60.4 %, possibly due to higher porosity and increased heat losses.
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Experimental study on combustion and thermoacoustic instability characteristics of ethanol/methane Co-firing flames

Hao Fang et al.Aug 9, 2024
This paper investigates the combustion and thermoacoustic instability characteristics of ethanol/methane co-firing flames. Methane was introduced into the combustion chamber in three different mixing methods: the premixing method, single-tube injection, and dual-tube injection. The effects of mixing ratio, equivalence ratio, jet pipe diameter and position on combustion performance are also considered. The results show that under the premixed combustion mode, as the methane ratio increases, combustion instability shows a trend of first enhancement and then weakening, reaching a maximum pressure pulsation of 228.8 Pa at a 30 % mixing ratio. When methane is injected transversely into the combustion chamber using a single-tube or dual-tube, the inner diameter of the injection tube, injection height, and injection distance are essential factors affecting combustion instability, all of which will change the inhibitory effect of the transverse jet on instability. In addition, when the methane mixing ratio reaches 50 %, the co-firing flames will be in a relatively stable combustion state under all conditions. But at this time, the increase in flame temperature and the oxygen-deficient environment in the combustion chamber will cause simultaneous increases in CO and NOx emissions, which are not conducive to clean and efficient fuel combustion.
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Performance assessment of single-sided operation in a high-temperature latent heat storage system under fault conditions during charging and discharging

Laiquan Lv et al.May 31, 2024
As the high-temperature latent heat storage (LHS) market continues to expand, ensuring its safe and stable operation is paramount for facilitating its rapid development. In specific operational scenarios and instances of failures, large-scale integrated LHS systems may operate with either single or partial sets of heat exchange tubes. However, a notable research gap exists in the comprehensive exploration of the impact of partial operational conditions on the thermal performance of LHS systems. Consequently, this study conducted experiments involving both- and single-sided charging and discharging using a cylindrical high-temperature LHS system equipped with two sets of heat exchange tubes. To comprehend the ramifications of single-sided operation on temperature distribution across both active and inactive sides, as well as its influence on charging/discharging power and accumulated stored/released energy on the active side. The analysis of phase change material (PCM) temperature distribution revealed that single-sided charging significantly influenced the inactive side, while single-sided discharging exhibited a comparatively minor impact on the inactive side. As PCM melted during charging, temperature disparities diminished due to natural convection, while non-uniform temperature persisted in unmelted PCM. Examination of the PCM liquidus indicated that the metal heat exchange tube enhanced heat transfer on the inactive side, resulting in substantial PCM melting during charging. However, the heat transfer effect of metal heat exchange tubes during discharging was insignificant, leading to a considerable amount of liquid PCM on the inactive side after discharging. The total heat storage for both-sided charging was 1002.71 MJ, whereas, for single-sided charging using two tubes, it was 1074.42 MJ and 1000.60 MJ, respectively. Correspondingly, during discharging, the average powers were 682.74 MJ, 543.62 MJ, and 538.11 MJ, respectively. The cycle efficiency for the both-sided operation was 68.09 %, while those for single-sided operations of two tubes were 50.6 % and 53.78 %, respectively. The reduced cycle efficiencies of single-sided operations were attributed to prolonged charging and discharging durations and the presence of more liquid PCM on the inactive side after discharging.
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Research on high dynamic strain measurement methods for deployable sunshades of star sensors

Yan Xiong et al.Dec 4, 2024
In the application of star sensors, there is a requirement to further expand the size of the sunshade to improve stray light suppression. However, traditional rigid sunshades are limited by the overall size and size constraints of the fairing, making it impossible to meet the demand. Therefore, deployable sunshades have emerged, which have advantages such as smaller compressed size, larger deployed size, strong ability to suppress stray light, and flexibility. This study focuses on the stress-strain characteristics of a key component of deployable sunshades for star sensors — leaf springs, and proposes a method for high-speed camera measurement of dynamic strain during the sunshade deployment process. First, through a literature review and investigation of relevant application cases, a design scheme using beryllium bronze leaf springs as the driving force for the sunshade was determined. Next, the plasticity parameters of beryllium bronze were obtained through tensile experiments to provide data support for subsequent simulation modeling. Based on experimental data and material parameters, the stressstrain behavior during compression and deployment of the leaf springs was simulated, and their fatigue life was analyzed. The accuracy of the model was verified through experiments, further exploring the relationship between stress-strain and fatigue life of the leaf springs. In conclusion, this study thoroughly investigates the stress-strain characteristics of leaf springs in deployable sunshades for star sensors, evaluates the impact of shocks on leaf springs through the proposed high dynamic strain measurement method, and the results indicate a reasonable design, sufficient margin, and low fatigue probability. This provides theoretical and experimental basis for the design and optimization of deployable sunshades for star sensors.
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