膨胀石墨基复合相变蓄热材料的制备及传热性能研究

摘要

潜热蓄热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术,在太阳能的热利用、电力移峰填谷、工业废热的回收以及民用和军事等领域具有广阔的应用前景。潜热蓄热技术的关键是高性能相变材料的应用。石蜡和硬脂酸等有机相变材料因其成本低、性能稳定、蓄热密度大等优点已成为应用最为普遍的相变材料,但其普遍存在导热系数低、固-液相变体积变化大及液态的流动性等缺点。本文利用膨胀石墨的多孔吸附特性和优良的导热性能,将有机相变材料吸附到膨胀石墨的孔结构中来制备膨胀石墨基复合相变储热材料。 分别采用高温膨胀法和微波膨胀法来制备膨胀石墨,考察了膨胀温度和时间以及微波功率和时间对制得的膨胀石墨的吸附性能的影响。与高温膨胀法相比,微波膨胀法具有节能省时的特点。分别制备了石蜡/膨胀石墨和硬脂酸/膨胀石墨两种复合相变材料,并采用SEM、DSC、XRD以及偏光显微镜等手段对复合相变材料的结构和热性能进行了表征。结果表明,有机物百分含量高达90％的复合相变材料依然具有定型特性；与纯有机相变材料相比,复合相变材料的相变温度没有发生改变,相变潜热与基于有机物质量百分含量的计算值相当,其导热系数明显提高。 构建了竖直同心圆柱体相变蓄热器,相变蓄热材料置于蓄热器的壳程,水作为传热介质在管内流动。研究了水的体积流量和温度的变化对有机物/膨胀石墨复合相变蓄热材料蓄热、放热性能的影响。实验结果表明：对比水体积流量的变化,水温度的改变对其蓄热、放热性能的影响要明显得多。对于有机物蓄热材料,由于液态密度小于固态密度,在浮力的影响下,融化过程相界面为从上到下,从内到外的V字型,而对于有机物/膨胀石墨复合相变蓄热材料,则没有该现象的发生。与有机物相比,有机物/膨胀石墨复合相变蓄热材料的蓄放热时间明显减少。 采用FUIENT软件对石蜡含量为70％的石蜡/膨胀石墨复合相变蓄热材料的蓄热过程进行了数值模拟,模拟的蓄热时间和温度随时间的变化趋势与实验结果较吻合,但平衡温度差别较大,其原因是实验条件和物性参数与模拟的情况存在差别。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1前言

1.2常见蓄热方式

1.2.1显热蓄热

1.2.2相变蓄热

1.2.3化学反应蓄热

1.3相变蓄热技术

1.3.1相变蓄热材料的分类

1.4相变蓄热材料的传热研究

1.4.1相变蓄热材料的传热强化研究

1.4.2相变蓄热系统的热力学优化及传热研究

1.5相变材料的应用技术

1.5.1在特种仪器、仪表等高技术领域中的应用

1.5.2在建筑上的应用

1.5.3在现代农业中的应用

1.5.4在纺织行业中的应用

1.5.5在太阳能蓄存方面的应用

1.5.6其它方面的应用

1.6本课题研究内容

第二章膨胀石墨基复合相变材料的制备及表征

2.1引言

2.2.实验部分

2.2.1.实验试剂及其仪器

2.2.2.制备过程

2.2.3.分析表征

2.3.结果与讨论

2.3.1.膨胀石墨的制备

2.3.2膨胀石墨基复合相变材料研究

2.3.3膨胀石墨基复合相变材料的物化性能

2.4.本章小结

第三章蓄热传热分析

3.1引言

3.2实验设备及方法

3.3结果与分析

3.3.1热电偶的温度修正关联

3.3.2石蜡蓄放热性能分析

3.3.2石蜡／膨胀石墨复合相变蓄热材料的蓄热传热分析

3.3.3硬脂酸蓄放热性能分析

3.3.4硬脂酸／膨胀石墨复合相变蓄热材料的蓄热传热分析

3.4本章小结

第四章蓄热数值模拟

4.1 计算流体力学(CFD)

4.1.1 FLUENT软件介绍

4.2.2网格生成

4.2 环形腔体蓄热数值模拟

4.2.1数学模型

4.2.2几何模型及网格生成

4.2.3物性参数及边界条件设定

4.2.4模拟结果及分析

4.3 本章小节

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢