【摘 要】
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熔融盐因其低成本、高储能密度、高热容量等优点,成为目前常用的热能存储材料。为了进一步改善熔融盐的热物性,人们尝试熔盐中添加纳米粒子,发现低浓度下,比热、热容量等热物性有所改善,这被认为是一种有效的强化热输送能力的手段。出于热效率方面考虑,以熔盐为对象,研究纳米粒子对比热、热容量、热导等热物性改善的研究报道广泛,而对基盐过冷特性的研究甚少。大量过冷文献均以低温纳米流体为目标,并得出纳米颗粒能够大幅降
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熔融盐因其低成本、高储能密度、高热容量等优点,成为目前常用的热能存储材料。为了进一步改善熔融盐的热物性,人们尝试熔盐中添加纳米粒子,发现低浓度下,比热、热容量等热物性有所改善,这被认为是一种有效的强化热输送能力的手段。出于热效率方面考虑,以熔盐为对象,研究纳米粒子对比热、热容量、热导等热物性改善的研究报道广泛,而对基盐过冷特性的研究甚少。大量过冷文献均以低温纳米流体为目标,并得出纳米颗粒能够大幅降低过冷度的结论。本文在对熔融盐基纳米流体热物性研究的基础上,补充研究其过冷特性。使用两步法合成硝酸共晶盐,并通过X射线衍射验证其成分。通过设定不同的冷却速率,研究了其对共晶盐过冷特性的影响,发现冷却速度对过冷度有明显影响。对于较低的冷却速度,凝固过程接近平衡凝固。原子或离子有足够的时间实现相互扩散和碰撞。随着温度的降低,通过能量和结构涨落形成的临界成核数将逐渐增加,形成的临界成核点将通过扩散长大。对于较大的冷却速度,它不可避免地抑制了早期成核位点的形成,推迟了在较低温度下完成的这一过程。显然,冷却速率越大,过冷度越大。采用不同粒径的二氧化硅纳米粉体制备了硝酸盐基纳米流体。利用差示扫描量热仪、扫描电镜等技术对纳米流体的凝固和过冷行为进行了研究。采用改进的Johnson-Mehl-Avrami(JMA)方程模型分析了复合材料的结晶过程,并根据实验数据进一步分析了纳米颗粒对结晶动力学的影响。结果表明,JMA方程只能用来描述纯共晶盐的结晶过程,而不适用于纳米流体,因为纳米颗粒的加入会改变复合材料的结晶动力学。根据颗粒的大小和浓度,添加纳米颗粒可以不同程度地提高过冷度和缩短结晶完成时间。通过修正的JMA方程进一步验证,加入纳米颗粒后,Avrami指数n会在一定范围内波动,这表明纳米颗粒可以通过改变成核机制和调节纳米流体导热系数增加导致的冷却速率来改善结晶过程。使用氧化铝、二氧化硅、二氧化钛颗粒制备了不同掺杂纳米流体,利用同样的方式分析了不同粒子对纳米流体过冷特性的影响。发现二氧化硅颗粒能够带来最小的半结晶时间,与纯盐相比,半结晶时间最高缩小了约42%。另外,浓度的提高会导致半结晶时间的减小,由浓度变化引起的结晶时间的最大缩短分别为 11.3%(Al2O3)、19.9%(SiO2)、7.5%(TiO2),可见二氧化硅对浓度的敏感性最佳,而二氧化钛最次。这与过冷度的规律相符:高浓度下,二氧化硅掺杂样品的过冷度总是小于二氧化钛掺杂样品。同时进行了 1 00次高低温循环实验,发现热循环会导致热容量、比热性能的恶化。
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