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高温相变蓄热材料的制备及性能研究

王胜林  
【摘要】: 相变蓄热,特别是固—液相变,具有单位重量(体积)的蓄热密度大以及在相变点附近很小的温差范围内进行吸热和放热等优点。目前广泛应用于太空太阳能动力系统、半导体热控、空调蓄冷系统和建筑调温等领域。随着能源问题的日益突出,对相变蓄热技术和相变蓄热材料的开发已成为当今的研究热点之一。 我国作为能源消费大国,其突出的问题之一就是能源利用率较低。作为我国的能耗大户—燃料炉能源消耗约占全国总能耗的20%,其热效率一般低于50%。特别是有色金属冶炼工业、硅酸盐工业中的部分炉窑,生产过程具有一定的周期性,余热资源是间歇性的,这就造成余热回收困难,通常这类炉窑的热效率通常低于30%。本研究结合我国的实际情况,从燃料工业炉的节能降耗入手,利用相变材料的优点,提出了采用复合工艺制备高温相变复合蓄热材料,该材料结合两者的优点,同时又能克服两者的不足。本研究旨在开发新材料和新工艺以提高工业余热利用效率。本研究主要包括以下几个方面。 1、根据已有的相变理论结合复合相变材料的特点,分别就相变过程中的凝固和熔化进行研究;分析相图在复合相变材料制备中的具体应用。 2、针对工业余热回收应用,选取合适的相变材料,考察基体和相变材料的热物性并利用HSC5.1软件对两者的化学相容性进行研究。初步确定合适的高温相变材料和与之匹配的基体材料;并通过实验研究优选出多种高温相变蓄热材料,如Li_2CO_3、K_2CO_3、Na_2SO_4、KCl和Al等,以及相匹配的基体材料,如Al_2O_3、MgO和多孔质金属镍等。 3、采用扫面电镜、X射线衍射仪、差示扫描量热分析仪、能谱分析仪等对复合蓄热材料进行分析。结果表明,所制备的熔融盐/金属基复合相变材料,熔融盐比较均匀充分地分布在多孔质网状结构金属基体中,金属骨架把相变蓄热材料分成无数个微小的蓄热单元,这些微小的蓄热单元在改善吸热、放热的同时,还因毛细管张力作用阻止熔化的相变材料外流,复合率高,蓄热能力好。同样地,所制备的熔融盐(或金属)/陶瓷基高温相变复合蓄热材料,相变材料也均匀地分布于基体之中,性能稳定,蓄热能力较好。 4、确定了2种制备工艺,即粉末压力成型制备工艺和多孔陶瓷基(或金属基)熔浸制备工艺。针对多种用途,采用以上工艺,开发了3类高温相变复合蓄热材料,即金属/陶瓷基复合相变材料、熔融盐/金属基复合相变材料和熔融盐/陶瓷基复合相变材料;并研究了工艺参数,如烧结温度、成形压力、成形时间和加热制度等,对材料性能的影响。 5、实际应用中对于一定温度的余热,如何选择合适的相变材料是非常关键的问题。本文最后,根据熵产最小原理分别对显热和相变蓄热系统进行热力学优化。重点推导和分析了相变蓄热系统中,最佳相变温度的选取以及在分级系统中各级最佳的相变温度,为实际应用中选择恰当的相变材料提供理论参考。


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