相變材料的熱物性測量和流動傳熱特性研究.pdf

1、近些年來，隨著地球上的自然資源急劇消耗，人們面臨著資源短缺和環(huán)境惡化等難題。緩解能源環(huán)境現(xiàn)狀，不僅關(guān)乎到科學技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，更關(guān)系到人類自身的生存與發(fā)展。所以，如何解決能源環(huán)境危機，已經(jīng)成為了全世界人民共同關(guān)注的話題。
　　為了更加有效地利用能源，可以將能源儲存起來。在各種儲能方式中，潛熱儲能具有儲能密度大、適用范圍廣和靈活性好等優(yōu)點，所以在節(jié)能儲能領(lǐng)域上具有非常好的應用前景。作為潛熱儲能研究領(lǐng)域中非常重要的一種能量載體，相變材

2、料也越來越引起人們的關(guān)注。相變材料最大的特點是在相變過程中，材料雖然吸收或放出大量的熱量，但是溫度近乎恒定。目前，相變材料主要分為無機相變材料、有機相變材料和混合相變材料三類。本文研究了作為一種典型的無機相變材料的結(jié)晶水合鹽的熱學性能。以四丁基溴化銨（TBAB）、四丁基溴化磷（TBPB）和四丁基氯化銨（TBAC）為主要研究對象，通過實驗分別測量了它們的相變溫度、相變潛熱和水合物晶體所攜帶的水分子數(shù)目等熱物性參數(shù)。對于有機相變材料和混合相

3、變材料，本文主要通過制備月桂酸-硬脂酸二元共熔物并研究其熱學性能來確定該共熔物在電動汽車電池熱管理系統(tǒng)上的應用前景。我們主要研究了月桂酸和硬脂酸這兩種脂肪酸形成二元共熔物時的它們的質(zhì)量比，并確定共熔物的相變溫度、相變潛熱、比熱容和熱穩(wěn)定性。為了強化該共熔物的傳熱性能，本文嘗試將膨脹石墨作為高熱導率基材加入其中，制備出新的復合相變材料。然后又通過測量加入膨脹石墨后的共熔物的熱物性參數(shù)的變化，來確定膨脹石墨對脂肪酸共熔物熱學性能的影響，并通

4、過對微觀結(jié)構(gòu)的分析，研究了膨脹石墨提高熱導率的機理。除了熱學性能，相變材料的流動傳熱特性也是相變儲能領(lǐng)域的研究重點。所以本文通過建立三維數(shù)值傳熱模型來預測石蠟/泡沫銅復合相變材料在腔體中的融化傳熱情況，并且搭建了實驗臺來進行該復合相變材料的實際融化實驗。將實驗的結(jié)果與數(shù)值模擬得到的結(jié)果進行對比并相互印證，不僅驗證了建立的數(shù)學模型的準確性，而且可以使該模型預測類似工況下的融化傳熱過程，以減少實際生產(chǎn)中的工作量。
　　研究所得結(jié)果如下

5、：（1）對結(jié)晶水合鹽的研究表明，TBAB水合物晶體的相變溫度在0-12℃內(nèi)，TBPB水合物晶體的相變溫度在0-10℃內(nèi)，TBAC水合物晶體的相變溫度在0-15℃內(nèi)，這種溫度范圍的相變溫度表明TBAB、TBPB和TBAC都可以很好地運用在空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)上。TBAB、TBPB和TBAC這三種水合物晶體的相變潛熱值分別為180-190kJ/kg、186-194kJ/kg和181 kJ/kg，相比于顯熱儲能以及大部分相變材料的相變潛熱，這些結(jié)晶水

6、合鹽相變材料的相變潛熱明顯大了不少，也說明了利用了這些結(jié)晶水合鹽的儲能系統(tǒng)具有儲能密度大的優(yōu)點，因此結(jié)晶水合鹽相變材料可以被用來儲能和傳輸介質(zhì)。（2）對月桂酸-硬脂酸二元共熔物的熱學性能的研究表明，當兩者的質(zhì)量分數(shù)為76.3％和23.7%時，形成共熔物，其熔化溫度為38.99℃，相變潛熱值為159.94kJ/kg。（3）通過研究在二元共熔物中加入質(zhì)量分數(shù)為10%的膨脹石墨后的熱物性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)加入膨脹石墨后，該共熔物的相變溫度有了微小變化

7、，過冷度有了減小，相變潛熱值與理論值保持一致。（4）通過微觀結(jié)構(gòu)的分析，我們可以知道，膨脹石墨提供了致密的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，可以用來很好地吸收熔融狀態(tài)的脂肪酸，并且膨脹石墨與脂肪酸之間有很好的潤濕性和兼容性。（5）利用瞬態(tài)平面熱源法來確定了脂肪酸純凈物、二元混合物以及加入膨脹石墨后的脂肪酸的熱導率，測量結(jié)果表明加入的膨脹石墨，可以大大地提高脂肪酸的熱導率。（6）通過熱重分析儀來研究了脂肪酸的熱學穩(wěn)定性，結(jié)果表明月桂酸、硬脂酸、二元共熔物以及加