纤维多孔陶瓷基定形复合相变蓄热材料的制备及其在蓄热室中的模拟研究

摘要

能源是人类社会生存和发展的物质基础，在现有的能源结构中，热能是最重要的能源之一。但是大多数能源都存在间断性和不稳定性的特点，在许多情况下人们还不能合理有效地连续利用能源。热能的存储技术可以解决热能供给和需求之间的矛盾，是提高能源利用效率和保护环境的有效手段。利用固液之间的相变来蓄热具有储能密度大、蓄热放热过程近似恒温的优点，因此倍受研究者的关注。
　　 目前采用无机盐和陶瓷复合制备相变蓄热材料的研究大多数都存在复合材料中相变盐含量过低的缺点。本文以莫来石陶瓷纤维为主要原材料，选用不同的粘结剂，采用真空抽滤成型方法制备出了高孔隙率的定形的多孔陶瓷，创新性地把其作为复合相变蓄热材料的基体，并采用熔融浸渗工艺制备了具有较高使用温度范围的无机盐/陶瓷复合材料，所制备的材料在发生固液相交时可以保持原来的形状而不导致熔盐的流失，在蓄热放热过程中可以与相容性流体直接接触换热，大大提高了换热效率。
　　 本文成功地制备出了显气孔率在85％以上的、具有理想三维空间网络孔洞结构的纤维多孔陶瓷预制体，并对纤维多孔陶瓷制备过程中的粘结剂迁移现象进行了理论分析和实验改进，有效地改善了粘结剂的迁移问题。采用微波干燥和A23与硅溶胶复合粘结剂可以改善粘结剂的迁移，提高纤维多孔陶瓷的抗压强度。分析了不同A23粘结剂浓度、不同烧成温度时纤维多孔陶瓷的抗压强度与孔隙率，发现在烧成温度为650℃时抗压强度出现较大值，A23粘结剂浓度范围在10～25％为宜。当所制备的纤维多孔陶瓷用作高温相变蓄热材料的多孔基体时，可采用A23与硅溶胶复合粘结剂，烧成温度为1000℃，保温2小时。当制备的纤维多孔陶瓷用作中低温相变蓄热材料的多孔基体，应用温度低于650℃时，可选择A23粘结剂，烧成温度为650℃。粘结剂的浓度对制得的纤维多孔陶瓷的抗压强度和孔隙率的影响较大，浓度越高，抗压强度越高，但孔隙率降低，可通过调配粘结剂的浓度，以得到较佳的效果。
　　 本文采用熔融浸渗工艺对无水硫酸钠与定形的纤维多孔陶瓷进行复合，在浸渗温度900℃左右，浸渗时间30～60 min范围内，成功制备出了相变温度为881．93℃、相变潜热为155．3 J/g、导热系数为1．059 W/（m·K）、热扩散系数为0．6902 m㎡/s、比热容为1．535 MJ/（m3·K）、储能密度为276 kJ/kg（△T=100℃）、抗热震性良好的复合相变蓄热材料。
　　 根据渗流问题的连续方程与导热问题的微分方程的相似性，利用Fluent流体模拟软件创新性地建立了熔融盐向纤维多孔陶瓷预制体的渗流模型，能够反映出实际的熔融浸渗过程，模拟了同体积不同半径柱状体采用不同浸渗方式时的浸渗过程，并利用红外热像仪对浸渗过程进行了动态测试，将测试结果与模拟结果进行对比，发现对于同体积的柱状的纤维多孔陶瓷预制体，当采用立式浸渗方式时，随着半径的增大，浸渗时间将缩短，而当采用卧式浸渗方式时，随着半径的增大，浸渗时间将延长；对于柱状的纤维多孔陶瓷预制体，当√π·r2/h<1时，采用卧式浸渗方式将优于立式浸渗方式，而当√π·r2/h>1时，采用立式浸渗方式将优于卧式浸渗方式。其推广为：对于任何形状的预制体，在浸渗过程中，垂直投影面积的开方与垂直高度的比值越大，越有利于缩短浸渗时间。
　　 利用Visual Basic语言编程，采用有限差分法首次设计了填充球蓄热室蓄热放热过程模拟系统，利用该系统对填充球蓄热室热效率影响因素进行了较全面的数值分析，采用正交试验方差分析法分析蓄热室长度、蓄热放热换向时间、空隙率、相变小球半径等对热效率的影响，确定出影响因素的主次顺序，总结出了各个参数对热效率的影响规律，为填充球蓄热室的工程设计提供一定的理论指导。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 常见的蓄热方式

1.2.1 显热蓄热

1.2.2 潜热蓄热

1.2.3 化学方法蓄热

1.3 多孔陶瓷基复合相变蓄热材料

1.3.1 无机盐相变材料和陶瓷基体材料的选择

1.3.2 多孔陶瓷基复合相变蓄热材料的制备工艺

1.3.3 多孔陶瓷基体的制备方法

1.3.4 复合相变蓄热材料的应用

1.4 国内外研究状况

1.5 本课题研究的目的、意义和主要内容

1.5.1 本课题研究的目的及意义

1.5.2 本课题研究的主要内容

参考文献

第二章 实验原料及测试表征设备

2.1 实验用原材料及化学试剂

2.2 使用仪器及设备

2.3 实验表征手段

2.3.1 X射线衍射分析(XRD)

2.3.2 扫描电镜分析(SEM)

2.3.3 差热分析(DSC)

2.3.4 压汞法测试

2.3.5 抗压强度测试

2.3.6 显气孔率及容重测试

2.3.7 导热系数及比热容测试

2.3.8 抗热震性能的测试

参考文献

第三章 纤维多孔陶瓷的制备

3.1 纤维多孔陶瓷作为基体的可行性

3.1.1 蜂窝陶瓷基体

3.1.2 添加造孔剂制备的多孔陶瓷基体

3.1.3 纤维多孔陶瓷基体

3.2 纤维多孔陶瓷的制备基础

3.3 陶瓷纤维的选择

3.3.1 玻璃态纤维

3.3.2 多晶态纤维

3.4 粘结剂的选择与制备

3.5 粘结剂迁移问题的处理

3.5.1 粘结剂的迁移现象

3.5.2 微波干燥对粘结剂迁移的改善

3.5.3 复合粘结剂对粘结剂迁移的改善

3.6 纤维多孔陶瓷的制备工艺

3.6.1 多晶莫来石纤维的预处理

3.6.2 真空抽滤法成型

3.6.3 烧成

3.7 影响纤维多孔陶瓷性能的工艺因素分析

3.7.1 粘结剂浓度和烧成温度对抗压强度的影响

3.7.2 粘结剂浓度对显气孔率和容重的影响

3.8 纤维多孔陶瓷的性能测试

3.8.1 抗压强度与孔隙率

3.8.2 孔径分布

3.9 本章小结

参考文献

第四章 纤维多孔陶瓷基复合相变蓄热材料的制备及表征

4.1 熔融浸渗工艺的基本理论

4.1.1 熔融浸渗工艺原理

4.1.2 熔融浸渗工艺主要影响因素

4.2 熔融浸渗工艺参数的确定

4.3 纤维多孔陶瓷基复合相变蓄热材料的制备

4.4 纤维多孔陶瓷基复合相变蓄热材料的表征

4.4.1 相变温度及相变潜热

4.4.2 导热系数和比热容

4.4.3 储能密度

4.4.4 抗热震性

4.4.5 断面形貌

4.5 本章小结

参考文献

第五章 熔融浸渗过程的模拟仿真

5.1 前言

5.2 熔融浸渗过程分析

5.2.1 润湿过程的热力学分析

5.2.2 毛细管浸渗过程的热力学分析

5.2.3 熔融浸渗过程的静力学分析

5.2.4 熔融浸渗过程的动力学分析

5.3 渗流的连续方程

5.4 模型建立

5.4.1 问题描述与假设

5.4.2 纤维预制体渗透率表达式

5.4.3 数值模拟过程

5.5 同体积不同半径柱状体的浸渗模拟

5.5.1 几何模型

5.5.2 立式浸渗方式

5.5.3 卧式浸渗方式

5.5.4 实验

5.5.5 模拟结果分析

5.6 本章小结

参考文献

第六章 填充球蓄热室模拟系统的设计与应用

6.1 前言

6.2 数学模型

6.3 填充球蓄热室蓄热放热过程模拟系统的设计

6.3.1 系统界面的设计

6.3.2 系统运行流程

6.4 填充球蓄热室蓄热放热过程模拟系统的使用

6.5 填充球蓄热室热效率影响因素数值分析

6.5.1 蓄热室几何参数的影响

6.5.2 相变球性能参数的影响

6.5.3 外界操作参数的影响

6.5.4 小结

6.6 填充球蓄热室热效率主要影响因素的确定

6.6.1 正交试验设计

6.6.2 方差分析

6.7 本章小结

参考文献

结论

附录

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢