復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的研制與潛熱儲(chǔ)能中熱物理現(xiàn)象的研究.pdf

1、潛熱儲(chǔ)能是利用物質(zhì)在相變過(guò)程中，吸收或放出相變潛熱來(lái)進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存與釋放的技術(shù)。潛熱儲(chǔ)能的儲(chǔ)能密度高，而且，在儲(chǔ)/放能過(guò)程中，材料在發(fā)生相變時(shí)，吸收/放出大量的熱，但溫度近似恒定。相變儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，實(shí)踐證明它是傳統(tǒng)顯熱儲(chǔ)能的潛在替代者之一。然而相變儲(chǔ)能的規(guī)模應(yīng)用仍面臨一些問(wèn)題:幾乎所有的相變材料(PCM)都存在熱導(dǎo)率低、相變過(guò)程中的傳熱性能差的問(wèn)題;相變傳熱理論缺乏透徹的分析，現(xiàn)有的分析方法和技術(shù)在相變問(wèn)題的研究上還存在

2、較大的難度;相變儲(chǔ)能裝置的數(shù)值研究方法還不完善，求解精度和耗費(fèi)計(jì)算資源間很難兼顧;相變儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏?；诖?，本文開(kāi)展了以下研究工作:
　　(1)以PCM為基體材料，在其中分別添加具有高熱導(dǎo)率的納米粒子和具有多孔結(jié)構(gòu)的膨脹石墨(EG)來(lái)強(qiáng)化PCM的導(dǎo)熱性能。首先，制備以石蠟為基體材料、納米碳粉和碳納米管作為分散相的納米復(fù)合PCM。添加5％碳納米管的復(fù)合PCM的導(dǎo)熱系數(shù)增加了26.26％。通過(guò)測(cè)試得知添加分散粒子的方法對(duì)

3、PCM熱導(dǎo)率改善的效果并不理想。因此決定選用具有多孔結(jié)構(gòu)的膨脹石墨(EG)去改善石蠟的換熱情況。在制備的EG/石蠟復(fù)合PCM中EG的質(zhì)量配比由1wt％連續(xù)的變化到10wt％。隨著EG添加量的增加，致密的EG網(wǎng)絡(luò)逐漸在復(fù)合物中形成。正是致密的EG網(wǎng)絡(luò)為PCM內(nèi)部的熱傳導(dǎo)提供了路徑。與純石蠟相比，當(dāng)復(fù)合物中添加10wt％的EG時(shí)，熱導(dǎo)率提高了近10倍以上。EG的出現(xiàn)引起了復(fù)合物中石蠟相變溫度的遷移。復(fù)合物中石蠟的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)與純石蠟相比最大

4、偏差為1.2℃，而峰值相變溫度的最大偏差為5.6℃。隨著EG配比的增加，復(fù)合PCM的相變潛熱是先增大后減小的。在儲(chǔ)能單元的充放熱測(cè)試中，EG(7)/石蠟(93)和EG(10)/石蠟(90)復(fù)合PCM儲(chǔ)熱周期比純石蠟的分別減少42.8％和48.9％，放熱周期分別減少64.1％和66.5％。為滿(mǎn)足較高溫度的儲(chǔ)能需求，選用乙酰胺(AC)作為蓄熱材料，這里同樣采用EG來(lái)提升AC的熱導(dǎo)率。10wt％ EG的添加可以使EG/AC復(fù)合PCM的熱導(dǎo)率達(dá)

5、到AC的6倍以上。EG/AC復(fù)合物的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)分別由純AC的65.91℃和42.46℃變化到66.95℃和65.52℃，EG的添加可明顯的改善AC中的過(guò)冷。EG的添加使復(fù)合物的潛熱降低到163.71 kJ/kg，比純AC的194.92 kJ/kg降低了近30 kJ/kg。在充放熱測(cè)試中，EG/AC復(fù)合PCM為儲(chǔ)能材料時(shí)，充/放熱周期分別比采用AC時(shí)減少45％和76％。
　　(2)求解VOF(Volume of Fluid)與焓-

6、多孔介質(zhì)耦合模型，模擬出具有自由表面的一類(lèi)相變過(guò)程，該模型可以較完整的反映出材料相變過(guò)程中的各方面特征，并利用可視化實(shí)驗(yàn)對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:石蠟內(nèi)部的自然對(duì)流在石蠟的融化過(guò)程中起到非常重要的作用，在自然對(duì)流的旺盛期，石蠟的最大融化速率為每秒0.002005％，而到融化快結(jié)束時(shí)，自然對(duì)流減弱，融化速率為每秒0.000395％;融化過(guò)程對(duì)自然對(duì)流也有影響，石蠟中的溫差及相界面位置決定了自然對(duì)流的發(fā)展，在液體石蠟內(nèi)部的最大流速

7、先增大后減小，液體石蠟中的流速在融化進(jìn)行150 s左右達(dá)到最大值6.08×10-3 m/s。石蠟在整個(gè)融化過(guò)程中體積膨脹了近10％。另外，利用該模型研究了描述材料糊狀區(qū)形態(tài)的系數(shù)C對(duì)相變過(guò)程的影響。C值越大的材料融化得越慢;而且融化過(guò)程中糊狀區(qū)的范圍越小;固體下沉引起的接觸融化在C值較小的材料中作用較明顯。
　　(3)建立一個(gè)可以詳細(xì)研究潛熱儲(chǔ)能床內(nèi)部的流動(dòng)與換熱的數(shù)學(xué)模型，并利用文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型的精確度進(jìn)行了驗(yàn)證。該有效儲(chǔ)

8、能床模型具有優(yōu)于其它模型的諸多特點(diǎn):模型具有很強(qiáng)的通用性，適于各種儲(chǔ)能床的研究;該模型可以反映出儲(chǔ)能床內(nèi)部詳細(xì)的流動(dòng)信息和相變單元內(nèi)部詳細(xì)的溫度梯度。另外，還利用有效儲(chǔ)能床模型進(jìn)行一些參數(shù)的研究，這些參數(shù)研究很難用其它模型實(shí)現(xiàn)。數(shù)值結(jié)果顯示:1.對(duì)于采用隨機(jī)排列的潛熱儲(chǔ)能床，其熱釋放率要高于規(guī)則排列時(shí)的情況;2.PCM的封裝會(huì)對(duì)系統(tǒng)的換熱產(chǎn)生不同程度的影響。在放熱過(guò)程中，采用不銹鋼封裝的相變單元的放熱時(shí)間要比采用聚乙烯的減少近15％。聚

9、乙烯封裝材料的厚度對(duì)整個(gè)潛熱儲(chǔ)能床的換熱性能具有較明顯的影響，而不銹鋼封裝的厚度對(duì)系統(tǒng)的換熱性能卻沒(méi)有明顯的影響。實(shí)踐證明有效儲(chǔ)能床模型能夠成為一種潛熱儲(chǔ)能床設(shè)計(jì)與操作條件優(yōu)化的重要工具。
　　(4)構(gòu)建了殼管式潛熱儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并分別選用石蠟和EG(7)/石蠟(93)復(fù)合材料作為該儲(chǔ)能系統(tǒng)中的蓄熱材料。相變儲(chǔ)能水箱的容積為166 L，儲(chǔ)能材料填充的體積百分比為55.3％。在熱釋放過(guò)程中，填充了復(fù)合PCM的水箱出口溫度保持在50℃