脂肪酸相變材料的性能調(diào)控與單元傳熱強化研究.pdf

1、熱能儲存技術(shù)能夠解決能源供求關(guān)系在空間和時間上不匹配的矛盾，是提高能源利用效率的有效手段之一。相變儲能具有儲能密度大和儲能過程近似等溫的優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用在建筑節(jié)能、太陽能利用、余熱廢熱回收和紡織服裝等領(lǐng)域。脂肪酸因其相變潛熱高、化學(xué)穩(wěn)定性好、無相分離、無過冷等優(yōu)點而成為目前最受關(guān)注的相變材料之一。然而，脂肪酸的相變溫度較為單一、導(dǎo)熱系數(shù)小和液態(tài)泄漏的缺陷影響了其應(yīng)用。針對這些問題，本文通過共晶效應(yīng)對脂肪酸的相變溫度進行了調(diào)控，利用復(fù)

2、合技術(shù)對其導(dǎo)熱性能和液態(tài)泄漏性進行了改善，并借助通過無源和有源手段對單元中的傳熱性能進行了強化。
　　首先，利用脂肪酸相變材料的低共熔效應(yīng)對其相變溫度進行調(diào)控。以熱力學(xué)第二定律和相平衡理論推導(dǎo)出的低共熔理論計算公式為指導(dǎo)，制備了一系列脂肪酸二元、三元低共熔混合物，將脂肪酸的相變溫度拓寬為18.61℃-68.54℃，且在每5℃的溫度段內(nèi)可以提供不同的相變材料選擇。熱物性能測試顯示脂肪酸低共熔混合物具有與單一脂肪酸具有相似的熱物性能，

3、并具有良好的熱可靠性。
　　其次，利用三種不同結(jié)構(gòu)高導(dǎo)熱炭材料對脂肪酸的導(dǎo)熱性能進行了增強。以棕櫚酸-硬脂酸低共熔混合物(PA-SA)為相變材料，將不同含量的一維碳納米管(CNTs)、二維石墨烯納米片(GnPs)和三維膨脹石墨(EG)分別加入到PA-SA，研究了炭材料含量、結(jié)構(gòu)和尺度對PA-SA復(fù)合相變材料性能的影響。結(jié)果表明，復(fù)合相變材料的相變溫度因炭材料的加入而發(fā)生偏移，相變潛熱隨炭材料含量的增加而降低，導(dǎo)熱系數(shù)隨炭材料含量的

4、增加而增加。三維結(jié)構(gòu)EG的導(dǎo)熱系數(shù)增強效果最優(yōu)，當(dāng)炭材料含量為8wt％時，CNTs、GnPs和EG分別將PA-SA的導(dǎo)熱系數(shù)增強了1.12、2.73和15.84倍。最后利用相變動力學(xué)揭示了不同炭材料對相變材料性能影響的機理。
　　再次，利用多孔介質(zhì)對相變材料的吸附性能制備定形復(fù)合相變材料以改善其液態(tài)泄露性。以相變溫度適用于建筑節(jié)能的LA-PA-SA為相變材料，通過真空滲浸法分別制備了以膨脹珍珠巖(EP)、蛭石(VMT)和硅藻土(D

5、MT)為基體的定形復(fù)合相變材料。BET結(jié)果顯示由于EP、VMT和DMT的孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑分布的不同，LA-PA-SA的最大含量分別為55wt％、50wt％和45wt％。FT-IR和XRD結(jié)果顯示，LA-PA-SA與基體介質(zhì)之間通過物理作用相互結(jié)合。DSC結(jié)果顯示，LA-PA-SA/EP、LA-PA-SA/VMT和LA-PA-SA/DMT的相變溫度和潛熱分別為31.8℃、30.6℃、31.5℃和81.5J/g、75.8J/g、68.0J/g

6、。定形復(fù)合相變材料具有良好的熱可靠性和蓄能調(diào)溫性能。
　　然后，利用高導(dǎo)熱多孔基體實現(xiàn)脂肪酸的定形和增強導(dǎo)熱同步調(diào)控。以PA-SA為相變材料，蠕蟲狀多孔結(jié)構(gòu)EG為支撐材料，制備了PA-SA的含量高達(dá)92.86wt％的高導(dǎo)熱定形復(fù)合相變材料。PA-SA/EG的熔化和凝固潛熱分別為166.27J/g和166.13J/g，儲能密度并沒有因為膨脹石墨的引入而發(fā)生顯著降低。TG測試結(jié)果顯示，EG的加入有效抑制了PA-SA的熱分解和揮發(fā)，使其

7、內(nèi)具有很好的熱穩(wěn)定性。定形復(fù)合材料的蓄放熱速率因EG的高導(dǎo)熱性能而大大提高。
　　最后，利用無源和有源手段對脂肪酸在相變單元中的傳熱進行了強化。在單元中設(shè)置“一”和“十”字結(jié)構(gòu)的金屬網(wǎng)格和翅片進行無源強化。由于金屬網(wǎng)格和翅片的高導(dǎo)熱性為PA-SA的導(dǎo)熱提供了高導(dǎo)熱通道，所以PA-SA的傳熱得到了強化，且“十”字結(jié)構(gòu)強化傳熱效果優(yōu)于“一”字結(jié)構(gòu)，翅片結(jié)構(gòu)強化效果優(yōu)于網(wǎng)格。進一步通過超聲波對PA-SA的傳熱進行有源強化研究。結(jié)果顯示，