【摘 要】
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基于相变材料的相变储热技术是平衡可再生能源及工业余热利用过程中能源供应与需求关系,实现能量合理高效配置的有效手段。为满足中高温相变储热系统的需求,选取相变潜热较高、过冷度低的LiNO3-NaNO3二元盐作为相变材料,选取化学稳定性较好、导热性能优异及成本较低的膨胀石墨（EG）作为改善材料导热性能的手段,对LiNO3/NaNO3-EG复合材料的热物性及循环稳定性等方面进行研究;针对提高热电联产机组调
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基于相变材料的相变储热技术是平衡可再生能源及工业余热利用过程中能源供应与需求关系,实现能量合理高效配置的有效手段。为满足中高温相变储热系统的需求,选取相变潜热较高、过冷度低的LiNO3-NaNO3二元盐作为相变材料,选取化学稳定性较好、导热性能优异及成本较低的膨胀石墨（EG）作为改善材料导热性能的手段,对LiNO3/NaNO3-EG复合材料的热物性及循环稳定性等方面进行研究;针对提高热电联产机组调峰能力的需求,配置斜温层相变胶囊级联式储热系统,对其单独储/放热过程和循环储/放热过程的动态特性进行分析。论文的主要工作及获得的研究成果如下。制备新型LiNO3/NaNO3-EG复合相变材料,通过多种实验手段对复合材料的微观形貌、相变特性及导热性能等物性进行测量及分析。结果表明,采用熔融浸润法制备的复合材料,LiNO3/NaNO3二元共晶盐成功地分散于EG的孔隙和蜂窝状结构中,复合材料起始熔融温度与LiNO3/NaNO3二元共晶盐差别较小,但EG的加入提高了复合材料的起始凝固温度,有效改善材料体系的过冷现象;复合材料的熔融相变潜热在216.1-248.2J/g范围内,凝固相变潜热在207.4-239.9 J/g范围内,具有较高的相变潜热;复合材料的导热性能由于EG的加入得到大幅度提升,随着EG质量分数的增加,复合材料的热扩散率最高达到3.287 mm2/s;EG的加入使复合材料内部形成了局部的导热链或导热网,增强了材料体系的导热性能,同时复合材料的测量热扩散率及计算热导率均随测量温度的升高而下降。对LiNO3/NaNO3-EG复合相变材料热循环后相变温度、相变潜热、热扩散率等物性变化,以及微观结构和兼容性进行测量及分析。结果表明,复合材料在同步热分析中进行短期熔融/凝固热循环过程中质量损失变化幅度较小,热循环稳定性良好;复合材料经历长期热循环后,起始熔融温度及凝固温度均有一定程度的变化,即复合材料的相变过程在经历热循环后推迟发生;同时复合材料的相变潜热也在热循环过程后发生一定程度的衰减,其中各组复合材料相变潜热最大降幅为5.65%;复合材料经历热循环后的导热性能也有不同程度的下降,热循环后热扩散率在各个温度测量点下,较未循环时平均降幅为11.15%-48.39%;通过对热循环后复合材料的SEM图像分析可知,材料体系内部产生的气孔和空洞是其导热性能下降的主要原因;同时通过对复合材料热循环后的XRD谱图分析可知,EG与共晶盐之间有较好的相容性。建立斜温层相变胶囊级联式储热系统一维混合扩散中心对称模型。研究系统单独储/放热过程和循环储/放热过程的动态性能,对比单一相变储热罐和三级级联相变储热罐的特性差异,讨论级联相变储热罐各相变材料占比和逆斯特藩数对储/放热过程的罐内温度分布、储放热量及容量利用率的影响。对于单独储/放热过程,使用PCM70、PCM50和PCM40的级联相变材料储热罐性能介于单一相变材料储热罐最优与最差性能之间:单一 PCM70储热罐性能最佳,其次为级联相变储热罐;对于级联相变储热罐,在相变材料总量不变的情况下,各组相变材料的占比对单独储/放热过程中的储/放热量影响较大。循环储/放热过程中提高PCM70的占比则会增加储/放热过程用时,并有效提升储/放热阶段的有效储热量及放热量;逆斯特藩数对级联相变储热循环运行过程特性有明显影响,其中底层相变材料的逆斯特藩数对储/放热过程的总效率影响最大。
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