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纳米复合低温相变蓄冷材料的制备及热物性研究

刘玉东  
【摘要】:蓄冷是实现电网移峰填谷的有效手段,目前主要用于空调蓄冷,随着能源的日益紧张和分时电价的实施,可望将蓄冷技术扩大到工业低温蓄冷中去。工业蓄冷相对于空调蓄冷而言,能耗更大且没有季节性,具有更大的应用潜力。由于空调用蓄冷材料的热物理性质不能满足工业低温蓄冷的要求,因此,工业蓄冷中一个重要的基础研究工作就是相变蓄冷材料的开发。 本文开发了一种适用于啤酒工业的低温相变蓄冷材料,这种材料由于结合了纳米技术,因此被称为“纳米复合低温相变蓄冷材料”。其基本配方是,在低温共晶盐(BaCl_2—H_2O溶液)蓄冷材料中,添加少量纳米尺度(20nm)的TiO_2粒子。TiO_2纳米粒子可以从普通钛白粉中廉价地获得。 本文围绕纳米复合低温相变蓄冷材料(以下简称纳米复合蓄冷材料)的制备和热物性,主要进行了以下研究工作: ① 纳米复合蓄冷材料的制备及悬浮稳定性研究 采用将纳米粒子与共晶盐水溶液直接共混、添加分散剂和机械搅拌等方法,制备了均匀稳定的纳米复合蓄冷材料。其稳定性是如此良好,以至于配制完毕1年后尚未见沉淀析出。大量的实验研究表明,纳米复合蓄冷材料的分散稳定性主要受分散剂种类、剂量和溶液pH值的影响,采用复合分散剂和溶液pH=10时分散效果最好。本文利用DLVO理论和空间稳定理论分析了纳米复合蓄冷材料的悬浮稳定机理。 ② 纳米复合蓄冷材料的导热系数测量和强化传热机理分析 研制了一套相对误差为2.42%的瞬态双热线液体导热仪,测量了不同体积分数的纳米复合蓄冷材料的导热系数。实验结果表明在液体中添加TiO_2纳米粒子显著增加了溶液的导热系数。在TiO_2体积分数为1.13%时,纳米复合蓄冷材料的导热系数提高了16.74%,且导热系数随纳米粒子体积分数的增加而增大。这一现象不能用传统宏观理论合理解释,本文尝试利用布朗运动理论和弹道式热传递理论等从微观上初步探讨了纳米复合蓄冷材料的强化传热机理。 ③ 纳米复合蓄冷材料成核过冷度和成核机理研究 步冷曲线表明纳米粒子可以起到成核剂的作用,能降低复合材料的成核过冷度,且随着粒子体积分数的增大,其过冷度急剧下降。当体积分数为1.13vol%时,可以消除过冷度。利用非均匀成核理论合理解释了其结晶成核机理。 ④ 纳米复合蓄冷材料相变潜热、比热的实验研究 采用差示扫描量热仪(DSC)测量了纳米复合蓄冷材料的相变潜热、相变温


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