發(fā)布時間：2018-05-04 05:42

  本文選題：相變儲能 + 復(fù)合相變材料　； 參考：《上海交通大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：近幾十年來,隨著世界范圍內(nèi)的能源危機出現(xiàn),可再生能源尤其是太陽能引起了人們的關(guān)注。但其間斷性和不穩(wěn)定性的缺點限制了其廣泛的應(yīng)用,因此可克服時間的局限性的熱能儲存是太陽能利用中不可或缺的部分。潛熱儲能由于高蓄能密度、近似等溫儲/放熱過程和易于控制的特性,是能量儲存的研究熱點。目前很多純相變材料由于熱導(dǎo)率較低,其應(yīng)用受到了限制。多孔介質(zhì)由于可形成優(yōu)良的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),常用于相變材料熱導(dǎo)率的強化。可是其物理結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其物化參數(shù)以及其和母體相變材料之間的交互作用、相容性等參數(shù)均會對復(fù)合相變材料的熱物理性質(zhì)和綜合傳熱性能產(chǎn)生影響,但目前它們之間的關(guān)聯(lián)性規(guī)律尚未理清�；�于此,本文從以下幾方面開展研究工作:構(gòu)建了真空沉積注入法制備復(fù)合相變材料的裝置,制備了石蠟/泡沫碳復(fù)合相變材料,石蠟/泡沫金屬復(fù)合相變材料。對制成的復(fù)合相變材料進行了結(jié)構(gòu)和熱物性的表征及測試。搭建了一個考慮被測樣品和接觸面間接觸熱阻的穩(wěn)態(tài)法測試系統(tǒng),對復(fù)合相變材料的有效熱導(dǎo)率進行測量。測量值與理論計算值吻合較好,與純石蠟相比,復(fù)合相變材料的有效熱導(dǎo)率顯著提高,如由孔隙率為96.95%,92.31%,88.89%,孔徑為25PPI的泡沫銅合成的復(fù)合相變材料的有效熱導(dǎo)率分別增加約13,31,44倍。隨著孔隙率的降低,有效熱導(dǎo)率增加,相同孔隙率不同孔徑的泡沫金屬合成的復(fù)合物的有效熱導(dǎo)率無明顯不同。試驗中接觸熱阻占總熱阻的比例為15.0~50.0%,并且和被測樣品的表面粗糙度有一定的關(guān)聯(lián)。DSC結(jié)果表明復(fù)合相變材料的固-液相變點較純石蠟有少許波動,但無顯著變化,受泡沫基材中骨架高熱導(dǎo)率和多孔介質(zhì)內(nèi)部熱非平衡的影響,復(fù)合相變材料的固-固相變點變得不明顯。以硝酸鈉和硝酸鉀為基本材料,膨脹石墨作為添加劑強化其熱導(dǎo)率,采用冷壓塊法,通過配比的改變,優(yōu)化制備了熔鹽復(fù)合相變材料。結(jié)果發(fā)現(xiàn):純共融鹽(NaNO3/KNO3=1:1)壓塊的熱導(dǎo)率為0.63~0.76 W/(m·K)。添加膨脹石墨后熔鹽(90)/膨脹石墨(10)復(fù)合物和熔鹽(80)/膨脹石墨(20)復(fù)合物的熱導(dǎo)率分別增加6倍和9倍。共融鹽(NaNO3/KNO3=1:1)和熔鹽/膨脹石墨壓塊的熱導(dǎo)率均隨著溫度的增加而下降。此外,研究了不同比例復(fù)合相變材料的相變點和相變潛熱,得到的硝酸鈉-硝酸鉀-膨脹石墨的相圖顯示,膨脹石墨的存在造成熔鹽的相變溫度波動較小。采用VOF和焓-多孔介質(zhì)模型耦合求解,數(shù)值研究了相變溫度約為220?C共融鹽(NaNO3/KNO3=1:1)融化過程自由界面的上升和固/液界面的變化。并結(jié)合可視化的實驗,發(fā)現(xiàn)自然對流的充分發(fā)展階段熔鹽的最大融化速率可達每秒0.0646%。融化過程自由界面不斷上升,體積膨脹可達10.0%,受到自然對流和密度差影響,固態(tài)熔鹽會出現(xiàn)明顯的下沉現(xiàn)象。以填充了共融鹽和熔鹽/泡沫金屬復(fù)合物的單管為對象,研究了該蓄熱單元的儲/放能特性。發(fā)現(xiàn)由于泡沫金屬的流動阻力,對于熔鹽/泡沫金屬復(fù)合物,融化過程自然對流有所削弱。但由于熱導(dǎo)率顯著增強,由導(dǎo)熱為主導(dǎo)的放能過程顯著加快。同時考慮熔鹽和泡沫金屬間熱非平衡特性,通過圓柱繞流的方式構(gòu)建了包含雙溫度能量方程的三維模型。由于金屬骨架高的熱導(dǎo)率,熔鹽和泡沫金屬間存在很明顯的溫差,比如:儲能過程中熔鹽和銅骨架的最大溫差為6.8?C,而熔鹽和鎳骨架的最大溫差為4.4?C。針對目前石蠟潛熱蓄能系統(tǒng)效率低下的特點,構(gòu)建了石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料的低溫殼管式潛熱蓄能系統(tǒng),實驗研究了不同換熱流體流量和進出口溫度下該系統(tǒng)儲/放能特性,并與純石蠟相變材料系統(tǒng)進行了對比分析。殼管式蓄能水箱在不同高度的溫度曲線體現(xiàn)出不同的特性。復(fù)合相變材料的儲/放能時間周期顯著減少,放能過程石蠟/膨脹石墨復(fù)合物的時間周期較儲能過程減少更多。換熱流體的進口溫度和流量對儲/放能時間周期有顯著影響,進口溫度高、流量大,換熱可得到強化。但是放能過程不同的初始溫度對時間周期無顯著影響。采用復(fù)合相變材料后,該潛熱蓄能系統(tǒng)的最大儲能功率是10.78 kW,而最大放能功率是13.62 kW,并且效率較純石蠟系統(tǒng)有一定的提升。數(shù)值模擬研究了不同條件下該蓄能系統(tǒng)的儲/放能特性,計算結(jié)果與實驗值吻合很好,并且準(zhǔn)確展示流體流過相變管孔隙的流場。通過程序計算得到了相變管子和換熱流體間的溫度梯度,獲得了熱流體和相變材料間的換熱系數(shù)。由于純石蠟低的熱導(dǎo)率,純石蠟相變管的溫度梯度較復(fù)合物更加明顯。不同材料儲/放能過程換熱流體和相變材料間的換熱系數(shù)不同,如:放能過程純石蠟為20~50 W/(m2·K),石蠟(93)/膨脹石墨(7)復(fù)合物為140~180W/(m2·K),石蠟(90)/膨脹石墨(10)復(fù)合物為170~210 W/(m2·K)。最后,采用對熔鹽粉體融化后熱封的方法,搭建了中溫熔鹽相變蓄能系統(tǒng)。該系統(tǒng)的儲能過程結(jié)合了太陽能集熱器緩慢的升溫過程,實現(xiàn)了變溫儲能,總儲熱量可達110MJ。為了改善純?nèi)埯}低的熱導(dǎo)率所造成的儲/放能速率低,采用泡沫鎳強化了儲/放能過程。與純?nèi)埯}系統(tǒng)相比,采用熔鹽/泡沫鎳復(fù)合相變材料的系統(tǒng)的蓄/放能功率有顯著提高,如在油質(zhì)量流量為0.06 kg/s時,其儲能功率可達1.81 kW,而在油質(zhì)量流量為0.03kg/s時,放能功率可達4.54 kW,蓄/放能總效率可達80.04%。
[Abstract]:In recent decades , the thermal conductivity of composite phase change material has been limited because of its high energy storage density , approximate isothermal storage / heat release process and easy control . A low temperature shell and tube latent heat accumulation system for paraffin / expanded graphite composite phase change material has been constructed . The temperature gradient between the phase change tube and the phase change material is much more obvious than that of pure paraffin .

【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB34

【參考文獻】

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本文編號：1841826