论文部分内容阅读
热能储存能有效利用能源,解决供需不平衡问题,在提高现有能源系统性能和可靠性方面扮演着重要的角色。本文关注热能存储材料和器件,旨在建立储热器件水平的性能与材料性能之间的关系,这是一个多尺度问题。重点研究了基于碳酸盐的定型相变储热材料的制备表征及其在高温环境下的应用。本文分别选择K2CO3和Na2CO3-K2CO3为相变材料、粉煤灰为基体材料,膨胀石墨为导热增强剂,制备不同熔化温度和导热性的定型相变储热材料,同时以所制备的定型相变材料的实验数据为依据,对含有上述定型相变储热材料的梯级平板储热器进行了数值模拟研究。以下是对工作的简要总结。第一,为解决K2CO3与粉煤灰在高温下无法共存的问题,本文提出了两步法制备含有K2CO3和粉煤灰的定型相变材料。首先,用一定量的K2CO3对粉煤灰进行改性,使改性后的粉煤灰主相变为硅铝酸钾（KAlSiO4）。然后,将改性后的粉煤灰与K2CO3混合,采用冷压烧结成型的方法制备定型相变储热材料。所制备的定型相变储热材料的潜热和热导率随着盐含量的增加而增加。K2CO3含量为50 wt.%和60 wt.%的两种定型相变材料经过烧结成型后能保持良好的形状,无裂纹。此外,在150次热循环试验中,它们在质量、潜热和化学相容性方面表现出良好的循环稳定性。第二,按照不同混合比例配置了 9种二元混合碳酸盐（Na2CO3-K2CO3）。采用差示扫描量热法分析了 9种混合盐的潜热及相变温度,并选取一种混合碳酸盐（Na2CO3-K2CO3,1:1,质量比）为相变材料,以改性粉煤灰为基体材料,通过混合烧结法制备了 5种不同含盐量的定型相变储热材料。定型相变储热材料的热导率与储热密度都随相变材料含量的增加而增加。当二元碳酸盐质量含量为50%、60%和70%时,定型相变材料烧结后外观完好无裂纹,且具有良好的储热能力及化学相容性。第三,为进一步提高二元碳酸盐-粉煤灰定型相变材料的热导率,采用向原复合材料中加入膨胀石墨的方法。研究了二元碳酸盐/膨胀石墨/粉煤灰新型定型相变储热材料的微观结构、热导率、化学相容性、比热容和潜热。结果表明:加入膨胀石墨后,储热材料整体形态发生变化,定型相变储热材料的孔隙增大,使比表面积和孔径增大;随着膨胀石墨质量含量的增加,定型相变材料的热容量和潜热略有下降,而热导率则随膨胀石墨质量含量的增加而增加,如含6 wt.%膨胀石墨的定型相变储热材料的热导率为3.182 W/（m·K）,比不含膨胀石墨的定型相变储热材料的热导率高183%。此外,用二次平行模型计算得到的有效热导率与实验研究结果吻合的较好。第四,为了研究膨胀石墨的加入对相变材料与基体材料的润湿性的影响。本文通过707℃下的动态接触角测量,研究了 Na2CO3-K2CO3在不同膨胀石墨含量的粉煤灰陶瓷基体上的润湿行为。在接触角测量过程中,考虑了基体表面微观结构、熔盐与基体的附着力和熔盐渗透等因素的影响。结果表明,共晶碳酸盐在粉煤灰陶瓷基体上表现出良好的润湿性,其润湿性受陶瓷基体表面微观结构和熔盐与基体粘附性的影响。由于实验过程中存在渗盐现象,为了消除渗盐效应,需要对实测接触角进行修正。随着基体中膨胀石墨含量的增加,基体表面粗糙度降低,盐分渗入减少,接触角明显增大。此外,采用高成型压力制备的基体也降低了表面裂纹和表面粗糙度,提高了接触角。最后,建立并验证了一个一维数值模型来分析含有所制备的定型相变材料的高温梯级平板储热器的热性能,旨在建立储热器件水平性能与材料性能之间的关系。结果表明:截止阈值越大,储热时间越长,储热效率越高,并且当截止阈值Rch超过0.4时,第三级相变材料无法发生相变,储热方式为显热储热;传热流体质量流量、平板的厚度和每一级平板长度的变化,对储热器的储热效率没有影响;传热流体质量流量越大,相变材料的储热速度越快;平板厚度越小,相变材料的储热速度越快;第一级相变材料的长度占总长的比例越大,储热量越高。