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复合相变储热材料的制备及强化传热特性研究

张秀荣  
【摘要】:为了应对能源危机所带来的巨大挑战,热能储存技术作为一种提高能源利用率,保护环境的新技术,得到前所未有的迅速发展。在各种各样的热能储存手段和储热材料中,采用有机相变材料的相变潜热进行热能储存具有安全稳定、价格低廉、相变潜热大和相变温度适中的优点,日益成为构建储能系统的首选材料。然而,有机相变材料过低的导热系数,又使得系统的传热性能差,热利用率低,限制了其工业上的推广应用。本文针对有机相变材料导热系数低的问题,借鉴了膨胀石墨和石墨烯的制备方法,制备出尺寸在5μm左右的二维石墨片层,并将其添加到有机相变基体中,得到石墨/有机相变材料复合物。并以石蜡为主要研究对象,介绍了这种复合相变储热材料的制备方法,围绕其导热系数、相变潜热、相变温度及储放热过程特性进行了实验与理论分析,结果证明这种石墨片层可以作为优良的添加材料来改善有机相变材料低导热系数的缺陷。主要研究工作如下: 1)通过氧化处理、微波膨胀和超声解离这一系列的步骤将天然石墨处理得到片层尺寸在5μm左右的石墨片层MSGF,并将其与熔融态的石蜡混合,制备出石墨/石蜡复合相变储热材料。通过微观结构表征和实验分析说明,这种复合材料具有良好的沉降稳定性和循环稳定性。 2)采用瞬态热线法和差示扫描量热法测试了石墨/石蜡复合相变储热材料在不同质量分数、温度和循环次数下的导热系数、相变温度和潜热。说明MSGF可以作为优良的添加物来改善有机相变材料的热力学性能,并且其效果优于其他纳米粒子。另外通过对复合材料强化传热机理的分析,说明MSGF在石蜡基体中的有效团聚,是导致复合材料导热系数大幅度提高的主要原因。并解释了复合材料相变潜热减小的原因。 3)采用步冷曲线和红外线热像仪拍摄法研究复合材料的储、放热曲线和温度场分布图,说明MSGF的添加使得相变材料的储、放热速率得到明显提高,并且储、放热速率均随颗粒质量分数的增加而增大。 4)搭建了储能式热泵热水器实验台,分析相变材料在高效热交换器中的热能储存行为,说明以石蜡作为热泵热水器的储热材料是可行的。并使用焓差实验室对设计加工的一台2HP储能式家用热泵热水器样机进行测试,初步计算出储能式热泵热水系统的COP值为2.97,并提出改进方法。 5)以实验研究中使用的高效热交换器为原型,建立了简化的数学模型和物理模型,并重点从相界面的角度采用Fluent软件复合相变材料的放热过程进行数值模拟。模拟结果完全验证了之前的实验结果,并说明在储能系统设计时应尽量降低壁温,减小管径和管间距。 研究中制备的二维微纳米级石墨片层可以在石蜡基体中首尾相接,形成有序的换热网络,大大提高石蜡的导热性能及储、放热速率。本研究的成功打破了纳米复合相变材料研究的僵局,为研制复合相变储热材料提供了一条新途径,且有广阔的应用前景。


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