發(fā)布時(shí)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(jī)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(diǎn)限制了其廣泛的應(yīng)用,因此可克服時(shí)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(diǎn)。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(qiáng)化�？墒瞧湮锢斫Y(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(jìn)行了結(jié)構(gòu)和熱物性的表征及測試。搭建了一個(gè)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(jìn)行測量。測量值與理論計(jì)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(yàn)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(diǎn)較純石蠟有少許波動(dòng),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(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)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(dòng)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(shí)驗(yàn),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(dá)每秒0.0646%。融化過程自由界面不斷上升,體積膨脹可達(dá)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(dòng)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(qiáng),由導(dǎo)熱為主導(dǎo)的放能過程顯著加快。同時(shí)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(diǎn),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(shí)驗(yàn)研究了不同換熱流體流量和進(jìn)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(jìn)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(shí)間周期顯著減少,放能過程石蠟/膨脹石墨復(fù)合物的時(shí)間周期較儲能過程減少更多。換熱流體的進(jìn)口溫度和流量對儲/放能時(shí)間周期有顯著影響,進(jìn)口溫度高、流量大,換熱可得到強(qiáng)化。但是放能過程不同的初始溫度對時(shí)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(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)現(xiàn)了變溫儲能,總儲熱量可達(dá)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(qiáng)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(shí),其儲能功率可達(dá)1.81 kW,而在油質(zhì)量流量為0.03kg/s時(shí),放能功率可達(dá)4.54 kW,蓄/放能總效率可達(dá)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(xiàn)】

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本文編號：1841826