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多孔基相变蓄能材料的热质传递现象和机理研究

肖鑫  
【摘要】:近几十年来,随着世界范围内的能源危机出现,可再生能源尤其是太阳能引起了人们的关注。但其间断性和不稳定性的缺点限制了其广泛的应用,因此可克服时间的局限性的热能储存是太阳能利用中不可或缺的部分。潜热储能由于高蓄能密度、近似等温储/放热过程和易于控制的特性,是能量储存的研究热点。目前很多纯相变材料由于热导率较低,其应用受到了限制。多孔介质由于可形成优良的导热网络,常用于相变材料热导率的强化。可是其物理结构复杂,其物化参数以及其和母体相变材料之间的交互作用、相容性等参数均会对复合相变材料的热物理性质和综合传热性能产生影响,但目前它们之间的关联性规律尚未理清。基于此,本文从以下几方面开展研究工作:构建了真空沉积注入法制备复合相变材料的装置,制备了石蜡/泡沫碳复合相变材料,石蜡/泡沫金属复合相变材料。对制成的复合相变材料进行了结构和热物性的表征及测试。搭建了一个考虑被测样品和接触面间接触热阻的稳态法测试系统,对复合相变材料的有效热导率进行测量。测量值与理论计算值吻合较好,与纯石蜡相比,复合相变材料的有效热导率显著提高,如由孔隙率为96.95%,92.31%,88.89%,孔径为25PPI的泡沫铜合成的复合相变材料的有效热导率分别增加约13,31,44倍。随着孔隙率的降低,有效热导率增加,相同孔隙率不同孔径的泡沫金属合成的复合物的有效热导率无明显不同。试验中接触热阻占总热阻的比例为15.0~50.0%,并且和被测样品的表面粗糙度有一定的关联。DSC结果表明复合相变材料的固-液相变点较纯石蜡有少许波动,但无显著变化,受泡沫基材中骨架高热导率和多孔介质内部热非平衡的影响,复合相变材料的固-固相变点变得不明显。以硝酸钠和硝酸钾为基本材料,膨胀石墨作为添加剂强化其热导率,采用冷压块法,通过配比的改变,优化制备了熔盐复合相变材料。结果发现:纯共融盐(NaNO3/KNO3=1:1)压块的热导率为0.63~0.76 W/(m·K)。添加膨胀石墨后熔盐(90)/膨胀石墨(10)复合物和熔盐(80)/膨胀石墨(20)复合物的热导率分别增加6倍和9倍。共融盐(NaNO3/KNO3=1:1)和熔盐/膨胀石墨压块的热导率均随着温度的增加而下降。此外,研究了不同比例复合相变材料的相变点和相变潜热,得到的硝酸钠-硝酸钾-膨胀石墨的相图显示,膨胀石墨的存在造成熔盐的相变温度波动较小。采用VOF和焓-多孔介质模型耦合求解,数值研究了相变温度约为220?C共融盐(NaNO3/KNO3=1:1)融化过程自由界面的上升和固/液界面的变化。并结合可视化的实验,发现自然对流的充分发展阶段熔盐的最大融化速率可达每秒0.0646%。融化过程自由界面不断上升,体积膨胀可达10.0%,受到自然对流和密度差影响,固态熔盐会出现明显的下沉现象。以填充了共融盐和熔盐/泡沫金属复合物的单管为对象,研究了该蓄热单元的储/放能特性。发现由于泡沫金属的流动阻力,对于熔盐/泡沫金属复合物,融化过程自然对流有所削弱。但由于热导率显著增强,由导热为主导的放能过程显著加快。同时考虑熔盐和泡沫金属间热非平衡特性,通过圆柱绕流的方式构建了包含双温度能量方程的三维模型。由于金属骨架高的热导率,熔盐和泡沫金属间存在很明显的温差,比如:储能过程中熔盐和铜骨架的最大温差为6.8?C,而熔盐和镍骨架的最大温差为4.4?C。针对目前石蜡潜热蓄能系统效率低下的特点,构建了石蜡/膨胀石墨复合相变材料的低温壳管式潜热蓄能系统,实验研究了不同换热流体流量和进出口温度下该系统储/放能特性,并与纯石蜡相变材料系统进行了对比分析。壳管式蓄能水箱在不同高度的温度曲线体现出不同的特性。复合相变材料的储/放能时间周期显著减少,放能过程石蜡/膨胀石墨复合物的时间周期较储能过程减少更多。换热流体的进口温度和流量对储/放能时间周期有显著影响,进口温度高、流量大,换热可得到强化。但是放能过程不同的初始温度对时间周期无显著影响。采用复合相变材料后,该潜热蓄能系统的最大储能功率是10.78 kW,而最大放能功率是13.62 kW,并且效率较纯石蜡系统有一定的提升。数值模拟研究了不同条件下该蓄能系统的储/放能特性,计算结果与实验值吻合很好,并且准确展示流体流过相变管孔隙的流场。通过程序计算得到了相变管子和换热流体间的温度梯度,获得了热流体和相变材料间的换热系数。由于纯石蜡低的热导率,纯石蜡相变管的温度梯度较复合物更加明显。不同材料储/放能过程换热流体和相变材料间的换热系数不同,如:放能过程纯石蜡为20~50 W/(m2·K),石蜡(93)/膨胀石墨(7)复合物为140~180W/(m2·K),石蜡(90)/膨胀石墨(10)复合物为170~210 W/(m2·K)。最后,采用对熔盐粉体融化后热封的方法,搭建了中温熔盐相变蓄能系统。该系统的储能过程结合了太阳能集热器缓慢的升温过程,实现了变温储能,总储热量可达110MJ。为了改善纯熔盐低的热导率所造成的储/放能速率低,采用泡沫镍强化了储/放能过程。与纯熔盐系统相比,采用熔盐/泡沫镍复合相变材料的系统的蓄/放能功率有显著提高,如在油质量流量为0.06 kg/s时,其储能功率可达1.81 kW,而在油质量流量为0.03kg/s时,放能功率可达4.54 kW,蓄/放能总效率可达80.04%。


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