定形相变材料储热性能和强化传热研究进展

潜热蓄热技术被视为缓解能源供需矛盾的有效措施,其利用相变材料在相变过程中吸热/放热来实现能量的存储和释放,在建筑节能、温室控温、调温服装等领域具有极大的应用潜力。归纳了定形相变材料的种类和特点,对多孔基相变材料、微胶囊相变材料和聚合物基相变材料等制备技术及储热性能的研究进展进行了综述,分析了定形相变材料制备过程中存在的问题,介绍了定形相变材料的强化传热方法,最后讨论了今后研究工作的重点并展望了定形相变材料的发展前景。

基于内管移动的卧式管壳式相变储热器储热性能优化研究

相变储热技术能够实现对固态储放氢过程热量的回收和供给,实现固态储氢罐内的自热平衡,提高储放氢性能。研究针对卧式管壳式相变储热器,提出了一种新型的内管偏心放置绕中心轴线旋转的运动方式,采用Fluent数值模拟软件,基于动网格技术编写了用户自定义函数UDF,重点研究了内管偏心距离与旋转速度对储热性能的影响。结果表明:与传统中心内管静止布置相比,偏心内管的旋转运动能够显著提高储热性能,当偏心距离为9 mm,旋转速度为0.10 r/min时,储热时间达到最小值,储热时间减少了92.16%,时间平均储热速率是内管静止布置的11.51倍;当偏心距离为9 mm,旋转速度由0.30 r/min减少至0.10 r/min时,储热时间减少了13.57%;当旋转速度为0.10 r/min,偏心距离由3 mm增至9 mm时,储热时间减少了70.48%。该研究结果可为卧式管壳式相变储热器在储氢领域的性能优化研究提供新思路。

新型分叉翅片强化管壳式储能罐储热性能

针对相变材料的质量和最大储热能力因翅片占据相变储能装置的部分体积而下降的问题,实现翅片结构优化具有重要意义。本工作在传统纵向翅片的基础上根据分叉形状提出了一种新型翅片来提高管壳式相变储能罐的储热性能,并针对该装置中相变材料带自然对流的熔化过程进行了三维数值模拟研究,分析了翅片数量、传热流体的入口温度和流速对相变材料熔化过程的影响。研究结果表明:与具有同等体积和数量的纵向翅片相比,新型分叉翅片显著加快了管壳式相变储能罐的蓄热过程。与无翅片和纵向翅片相比,新型分叉翅片使相变材料的熔化时间分别缩短了59.9%和23.4%,平均储热速率分别提高了142.1%和31.4%。在不改变翅片体积的前提下,增加翅片的数量可以减少相变材料的熔化时间,提高平均储热速率,但当翅片数量超过6时,对储热性能的进一步改善效果不明显。提高传热流体的入口温度和流速不仅可以缩短相变材料的熔化时间,也可以增加总储热量和平均储热速率。研究结果可为管壳式储能装置的结构优化和太阳能的高效利用提供一定的参考价值。

串珠网状相变材料储热性能研究及实验设计

为提高相变材料热导率并防止其泄露,设计了串珠网状复合相变材料,采用化学沉淀法制备有机金属框架并将其碳化,进一步通过静电纺丝技术将其串起构筑串珠网状碳载体,最后使用真空浸渍法负载熔点稳定且潜热大的月桂酸制备复合相变材料。结合SEM、XRD、DSC、TGA、FTIR等技术进行表征,并研究其储热性能。结构及储热性能实验测试表明:复合相变材料潜热为160 J/g、储热效率为109%,热导率高达2.2 W/(m·K),且稳定热循环100圈无泄漏。得益于金属有机框架碳化物和碳纤维之间的协同作用,串珠网状杂化碳载体的构筑在保证相变材料循环稳定性的同时,提高了复合相变材料的潜热和热导率。

聚乙二醇/SiO_2定形相变材料在沥青中的相变储热性能

利用多孔二氧化硅的良好吸附性,将不同计量的聚乙二醇在硅溶胶胶凝过程中吸附于硅凝胶的孔隙结构中制备聚乙二醇/二氧化硅定形相变材料(PEG/Si O_2 SSPCM);并将其与熔融沥青共混获得不同聚乙二醇含量的沥青-定形相变材料(Asphalt-SSPCM)。借助孔径分析仪和扫描电镜(SEM)表征了载体二氧化硅孔结构和PEG/Si O_2 SSPCM的表观形貌;通过X射线衍射仪(XRD)、综合热分析仪(DSC/TG)和傅里叶红外光谱仪(FTIR)考察了沥青中PEG/Si O_2 SSPCM的晶体结构、储热性能、热稳定性及化学兼容性;通过本文作者课题组研发的温度模拟试验箱测试了Asphalt-SSPCM的降温效果。结果表明,二氧化硅凝胶具有丰富的孔结构并能将聚乙二醇吸附于其介孔结构中;沥青中PEG/Si O_2 SSPCM仍含有聚乙二醇晶体,其储热能力随聚乙二醇含量的增加而增大,当聚乙二醇含量为76.1%时,相变焓高达117.5J/g,且不同聚乙二醇含量的沥青-定形相变材料均表现出良好的热稳定性;PEG/Si O_2 SSPCM与沥青的化学兼容性良好,二者之间仅是物理作用;Asphalt-SSPCM的降温效果显著,可有效改善沥青路面的高温性能;并基于相变理论,分析了沥青-定形相变材料的相变储热原理。

双层填充床储热器储热性能实验研究

为提高相变储热球填充床储热器的储热性能,提出了一种沿流动方向减小相变球球径的双层填充床储热器结构,并开展了储热器储热性能的实验研究,获得了储热器内的空气及储热球温度的变化规律。结果表明,沿换热流体流动方向的空气温度逐渐降低,采用双层变球径相变球填充床储热器结构后,填充床下层的储热球能够较快熔化,提高了填充床下层的换热效果,改善了储热器的换热温度不均匀性,从而提高了储热性能。其次,研究了不同空气进口温度和质量流量对该储热器储热速率及储热效率的影响规律,结果表明:当空气进口温度从425℃增加到465℃时,储热速率提高了60.5%,储热效率从84.8%提高到了91.1%;当质量流量从180kg·h-1增加到260kg·h-1时,储热速率提高了23.5%,储热效率略有下降。最后,对比了双层储热器与单层储热器的储热性能,结果表明,在相同进口温度和质量流量下,双层储热器的储热速率优于单层储热器,储热速率最大可比单层储热器提高12.4%。该研究可为高温熔盐相变球填充床储热器的设计及性能优化提供实验参考。

用六水氯化钙作为相变材料的换热器储热性能研究

研究了一种以传统的管壳式换热器作为结构基础、管内充填相变材料——六水氯化钙的新型相变材料换热器的储热性能。对这种新型相变材料换热器分别通入温度不同的冷热流体,利用温度测试系统对其进口、出口的温度进行了测试。实验结果表明,这种相变材料换热器结构能将温度较高的热流体的热能通过其管内充填的相变材料储存起来,必要时又可以将储存的热能释放给所需的流体中,从而使其既具有热量交换的功能又具有热量储存的功能。它主要适用于温室、暖房、工业生产中的低品位热能的回收和利用,还可以应用于热能供应与人们需求之间不一致的场合,如太阳能热利用、采暖和空调领域等。

低温相变石蜡储热性能的实验研究

利用差示扫描量热仪对熔点在20-50℃的几种石蜡类相变材料及其它们的混合物的储热性能进行了实验研究。研究显示：石蜡的相变温度可根据组成进行调节，相变潜热大，无过冷现象，在多次吸放热后相变温度和相变潜热变化很小，稳定性好。该研究结果可为相变石蜡在建筑节能领域的应用提供依据。

支撑材料对中低温有机相变储能材料储热性能的影响研究

选用储能值高的中低温有机相变材料石蜡、硬脂酸、聚乙二醇作为相变主材料,吸附性良好的膨胀石墨、活性炭作为支撑材料,通过熔融共混法制备中低温有机复合相变储能材料,利用差示扫描量热仪对其储热性能进行测试。结果表明,支撑材料的加入使相变材料的储能值有所下降,相变温度基本保持不变,膨胀石墨对中低温有机相变材料的储热性能提高的效果更为显著;活性炭和膨胀石墨对有机分子链具有吸附作用,阻碍了分子链"结晶态-无定形态"间的相互转换,复合体系中相变主材料结晶度降低。

高温复合相变材料储热电暖器的储热性能

本文研究了基于高温复合相变材料的相变储热电暖器,对其储热性能、内部流场和温度分布及温度调控机制进行了实验和模拟研究,并与镁砖显热电暖器的储热性能进行对比。结果表明这类相变储热电暖器的储热平均温度高、平均温差小、出风口温度高,整体性能要优于镁砖显热电暖器。相同体积下两种电暖器储热量相当,但相变储热电暖器的重量可减轻1.6倍;在相同储热时间和储热温度下,同等重量的相变储热电暖器较镁砖电暖器可多储热68%。结果也展示了这类储热电暖器温度控制测点选择的重要性,当选取距离加热单元10 mm处的测点作为温度调控点时,电暖器内的平均温度和储热砖体的最高温度均能满足安全要求,而且加热单元电源在谷电8 h储热过程中只需启停两次。

硬脂酸/SiO_2纳米微胶囊复合相变材料的制备及储热性能的研究

采用分步合成法将硬脂酸填充到SiO2空球内,制备硬脂酸/SiO2微胶囊复合相变材料,并采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和差示扫描量热法(DSC)等分析测试手段对复合材料的结构和储热性能进行了表征。结果表明,该纳米微胶囊复合相变材料具有直径约220nm的规则形貌和良好的储热性能。此外,热的传导和抑制过冷现象也有了明显的增强和改善。

相变温控混凝土相变储热性能试验研究

混凝土中加入相变材料之后对水化反应产生的热量有一定的吸收，从而对混凝土内部温度有一定的控制作用，这将减少混凝土温度裂缝产生的几率。通过筛选带一定结晶水的硬脂酸、月桂酸和正十二醇的3种有机相变材料，模拟实际大体积混凝土工程来研究不同相变材料的掺量、控温效果。运用计算机软件绘制时间-温度曲线，从中搜寻出最佳的相变材料掺量。

二元低熔点合金储热性能的研究

以低熔点合金Sn、Bi和Pb原料,制备了Sn-Bi、Sn-Pb和Bi-Pb共晶合金。采用XRD、DSC和激光热常数测试仪对产物结构和热物理性能进行了表征。结果表明,Sn-58Bi合金相变温度在136.9～149.1℃,相变潜热为40.84 J/g,比热容为0.17 J/(g·K),热导率为16.2 W/(m·K)。在制备的合金中,储热能力大小依次为Sn-58Bi>Sn-38Pb>Bi-45Pb。

不同分子量的PEG定型相变材料的储热性能研究

以相对分子质量分别为4000、6000、10000、20000的聚乙二醇(PEG)为相变主材料,吸附性良好的膨胀石墨(EG)或活性炭颗粒(ACG)为支撑材料,采用物理吸附加熔融共混的方法制备出不同分子量的PEG定型相变材料,使用差示扫描量热仪(DSC)对不同分子量的定型相变材料的相变温度、相变焓进行测试与表征,探究不同分子量的对定型相变材料储热性能的影响。结果表明,支撑材料并未影响PEG的相变行为,PEG仍具有良好的结晶性能,PEG定型相变材料的结晶温度、熔融温度随相对分子质量的增加而增大,而其结晶焓、熔融焓不完全随着相对分子质量的增大而增大,而是在PEG相对分子质量为10000时达到顶峰,然后有所下降。

铝硅高温相变储热材料显微组织与储热性能研究

采用X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微分析(SEM)、差示扫描量热分析(DSC)等现代分析手段,对四种不同成分的铝硅高温相变储热材料的微观组织、相变温度、储热性能等进行了研究。结果表明:四种储热材料的相变温度均处于550～650℃之间,且相变潜热都在300 J/g以上,Al-13Si共晶合金储热材料单位质量储热量达1 085.4 J/g,单位体积储热量达2 898.0 J/cm,具有较好的储热性能。

PEG/陶粒相变颗粒的制备及储热性能研究

采用真空浸入法将聚乙二醇(PEG)吸附于多孔陶粒后,采用环氧进行包封,制得PEG/陶粒定形相变颗粒。使用DSC/TG、FTIR、高温烘烤及水浴试验等手段对PEG/陶粒相变颗粒的储热性能、相容性、定形效果及降温效果进行表征,结果表明:PEG/陶粒相变颗粒的相变焓约72.8 J/g,相变开始点约50.4℃;PEG与多孔陶粒之间为物理吸附作用,具有较好的相容性,能够保证复合物中的PEG发挥相变特性;190℃下PEG/陶粒相变颗粒不泄漏,具有良好的定形效果;水浴测温表明,6.2%PEG掺量的相变陶粒试件降温在6.8℃左右,持续约4.5 h。

烧结温度与时间对Na_2SO_4/SiO_2复合储能陶瓷储热性能的影响

利用DTA、XRD及分析天平测试了Na2 SO4 /SiO2 =1∶1的复合陶瓷经过 90 0、 95 0和1 0 0 0℃加热 2、 4、 6h后的失重与储热性能变化。分析了复合陶瓷的界面与储能机理 ,得出结论 :Na2 SO4 /SiO2 复合储能陶瓷加热使用温度不宜超过 95 0℃。

改性石蜡的储热性能检测

为了解决太阳能间歇性,最大程度的提高太阳能利用率,选择石墨、硫酸铝铵分别与石蜡做成复合储热材料,按照不同的质量配比混合制备试样。利用差示扫描量热仪(DSC)和数据采集系统(M400)对几种石蜡类复合相变储热材料的热性能进行实验分析。结果表明:石蜡中加入40%的硫酸铝铵,使复合相变储热材料的潜热增加、热导率显著提高,储放热时间明显缩短;石蜡-硫酸铝铵(质量配比为6∶4)是太阳能相变储热材料的较优配比。

含碳二元系相变储热材料储热性能分析选择

相变储热技术与聚光太阳能发电技术相结合可以提高太阳能的利用率,减缓化石燃料燃烧带来的环境压力。本文通过分析相变储热材料的选择标准,对筛选出具有研究价值的含碳二元系相变储热材料的性能特别是热物理性能进行分析。研究发现,硅、硼、铝、铬、铁单质材料与碳元素形成的二元化合物或固溶体具有较高的熔点,形成的含碳二元系相变储热材料在高温相变储热领域应用前景广阔。在含碳二元系相变储热材料中,Fe-C二元合金可满足高温相变储热系统1100~1500℃的相变储热要求,当合金为含碳4.3%的Fe-C共晶成分时,Fe-C二元合金的相变潜热理论值为611 kJ/kg,热导率约为(40±16)W/(m·K),相变温度为1148℃,具有相对其他合金成分更为优异的综合储热性能可用于聚光太阳能热发电系统储热。

微乳相变材料的流变及储热性能试验

为提高微乳相变材料的储热性能,制备了石蜡-饱和盐溶液的油包水型微乳相变材料。探究乳化剂种类对液滴直径分布、流变特性及黏温曲线的影响,并重点关注KNO_(3)、NaNO_(3)、NaSO_(4)饱和盐溶液对微乳相变材料热容的影响规律。同时,借助导热仪测定微乳相变材料的热扩散速率,并进一步得到材料的导热系数。此外,为提高微乳相变材料导热性能,对比了添加导热油后的导热性能。结果表明:Span-80作为表面活性剂时,黏度下降较为明显;而Triton(曲拉通)作为表面活性剂时,温度超过75℃黏度才出现下降趋势。值得注意的是,黏度随剪切速率的变化规律归因于材料自身的剪切变稀行为。在40~90℃温度区间内,相变材料的最大热容为182 kJ/kg,是相同条件下水介质的4.3倍。添加导热油可显著提高材料的导热性能,50℃时导热系数由0.233 W/(m·K)提高至0.456 W/(m·K),当温度升至60℃时,这种趋势更加明显。