復合相變儲能材料的研制與潛熱儲能中熱物理現(xiàn)象的研究.pdf

1、潛熱儲能是利用物質(zhì)在相變過程中，吸收或放出相變潛熱來進行能量儲存與釋放的技術(shù)。潛熱儲能的儲能密度高，而且，在儲/放能過程中，材料在發(fā)生相變時，吸收/放出大量的熱，但溫度近似恒定。相變儲能技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，實踐證明它是傳統(tǒng)顯熱儲能的潛在替代者之一。然而相變儲能的規(guī)模應(yīng)用仍面臨一些問題:幾乎所有的相變材料(PCM)都存在熱導率低、相變過程中的傳熱性能差的問題;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)在相變問題的研究上還存在

2、較大的難度;相變儲能裝置的數(shù)值研究方法還不完善，求解精度和耗費計算資源間很難兼顧;相變儲能系統(tǒng)運行的實驗數(shù)據(jù)缺乏?；诖?，本文開展了以下研究工作:
　　(1)以PCM為基體材料，在其中分別添加具有高熱導率的納米粒子和具有多孔結(jié)構(gòu)的膨脹石墨(EG)來強化PCM的導熱性能。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合PCM。添加5％碳納米管的復合PCM的導熱系數(shù)增加了26.26％。通過測試得知添加分散粒子的方法對

3、PCM熱導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)逐漸在復合物中形成。正是致密的EG網(wǎng)絡(luò)為PCM內(nèi)部的熱傳導提供了路徑。與純石蠟相比，當復合物中添加10wt％的EG時，熱導率提高了近10倍以上。EG的出現(xiàn)引起了復合物中石蠟相變溫度的遷移。復合物中石蠟的熔點和凝固點與純石蠟相比最大

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，復合PCM的相變潛熱是先增大后減小的。在儲能單元的充放熱測試中，EG(7)/石蠟(93)和EG(10)/石蠟(90)復合PCM儲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％。為滿足較高溫度的儲能需求，選用乙酰胺(AC)作為蓄熱材料，這里同樣采用EG來提升AC的熱導率。10wt％ EG的添加可以使EG/AC復合PCM的熱導率達

5、到AC的6倍以上。EG/AC復合物的熔點和凝固點分別由純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中的過冷。EG的添加使復合物的潛熱降低到163.71 kJ/kg，比純AC的194.92 kJ/kg降低了近30 kJ/kg。在充放熱測試中，EG/AC復合PCM為儲能材料時，充/放熱周期分別比采用AC時減少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相變過程，該模型可以較完整的反映出材料相變過程中的各方面特征，并利用可視化實驗對模型的準確性進行了驗證。結(jié)果表明:石蠟內(nèi)部的自然對流在石蠟的融化過程中起到非常重要的作用，在自然對流的旺盛期，石蠟的最大融化速率為每秒0.002005％，而到融化快結(jié)束時，自然對流減弱，融化速率為每秒0.000395％;融化過程對自然對流也有影響，石蠟中的溫差及相界面位置決定了自然對流的發(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行150 s左右達到最大值6.08×10-3 m/s。石蠟在整個融化過程中體積膨脹了近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對相變過程的影響。C值越大的材料融化得越慢;而且融化過程中糊狀區(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)建立一個可以詳細研究潛熱儲能床內(nèi)部的流動與換熱的數(shù)學模型，并利用文獻中的實驗結(jié)果對模型的精確度進行了驗證。該有效儲

8、能床模型具有優(yōu)于其它模型的諸多特點:模型具有很強的通用性，適于各種儲能床的研究;該模型可以反映出儲能床內(nèi)部詳細的流動信息和相變單元內(nèi)部詳細的溫度梯度。另外，還利用有效儲能床模型進行一些參數(shù)的研究，這些參數(shù)研究很難用其它模型實現(xiàn)。數(shù)值結(jié)果顯示:1.對于采用隨機排列的潛熱儲能床，其熱釋放率要高于規(guī)則排列時的情況;2.PCM的封裝會對系統(tǒng)的換熱產(chǎn)生不同程度的影響。在放熱過程中，采用不銹鋼封裝的相變單元的放熱時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整個潛熱儲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系統(tǒng)的換熱性能卻沒有明顯的影響。實踐證明有效儲能床模型能夠成為一種潛熱儲能床設(shè)計與操作條件優(yōu)化的重要工具。
　　(4)構(gòu)建了殼管式潛熱儲能實驗系統(tǒng)，并分別選用石蠟和EG(7)/石蠟(93)復合材料作為該儲能系統(tǒng)中的蓄熱材料。相變儲能水箱的容積為166 L，儲能材料填充的體積百分比為55.3％。在熱釋放過程中，填充了復合PCM的水箱出口溫度保持在50℃