含水石蜡相变材料制备及其微囊化与复合建材性能

摘要

能源是人类社会赖以存在和发展的基础，随着能源短缺问题的日益加剧，合理的回收利用能量在节能降耗领域越来越重要，因此，对储能材料的研究变得至关重要。相变储能材料由于其储能量大，相变过程中能保持温度基本恒定，而得到了广泛的研究应用。 常规相变储能材料由于固一液相变温度超出常温水平、价格较贵、储能密度小、使用过程中存在相变材料析晶和从基体中泄漏等问题而未能广泛应用。针对这些问题，本文通过采用不同熔点的石蜡复配的方法，制备具备常温固一液相变特征的相变储能介质。液态水是自然界物质中比热容最大且不污染环境的物质，其单位体积储热量比常规的相变储能材料高1～2个数量级。因此，将水引入到相变储能介质中将能显著提高其单位体积储能密度。本研究中采用在相变储能介质中引入水的办法，构造潜热＼显热储能材料复合储能介质提高储能密度，目前，国内外还未见该类复合储能介质的研究和应用工作。但水的储能量与温度变化成线性关系，且不能直接与石蜡混合，因此不宜直接作为常温相变储能介质；研究中通过采用微乳化技术，利用乳液相图找出合适的表面活性剂复配比例、助表面活性剂和表面活性剂与助表面活性剂的比例，实现了将水稳定分散于石蜡储能介质中；微囊化相变材料是实现相变储能材料方便、广泛应用的重要手段之一，微囊化后可提高传统相变储能材料的稳定性、传热性能和加工性能，可从技术上克服相变物质的应用局限性，提高了相变材料的使用效率，拓宽相变材料的应用领域，具有广阔的应用前景。常规的成囊方法操作过程复杂、生产成本高，制约了微囊化相变储能材料的应用，本研究中采用廉价、可再生的海藻酸钠包封相变储能介质，由于海藻酸钠与Ca<'2+>接触反应后，形成空间网状交联结构，且该过程反应条件简单在常温下即可迅速进行，由此，实现对包囊过程的简化和降低包封相变储能介质的成本；根据膜乳化原理，设计利用膜孔法制备储能微囊的装置，通过调节装置内所加压力、膜孔径大小、连续相的流速等，可实现微囊连续、低成本、粒径的大小可控生产。实验中制备出的微囊尺寸分布较窄，颗粒大小主要集中在8～17μm。 将储能微囊与石膏基体复合后，制备得到石膏基相变储能复合材料。对该复合材料的储能密度测试表明，将水引入到储能介质中后，储能密度得到了显著提高；复合材料的导热系数测试表明，基体中含相变材料后导热系数随温度成非线性变化；储放热特性实验表明，含相变材料石膏板试样的储、放热时间均延长，且在储、放热过程中出现温度相对恒定阶段，而含水相变储能石膏板具有更长的储、放热时间和温度相对恒定阶段； 墙体温度对实际环境温度变化的响应特性实验表明，相变材料的引入，由于其潜热储能使得复合材料对温度变化的响应出现滞后性，并出现温度相对恒定的平台，而加入含水相变储能微囊制备的石膏板试样，温度变化响应滞后性更大，温度相对恒定平台更长，这是相变储能材料的潜热储能和体系中非相变储能材料水的比热大的缘故；经简化复合建材物理模型，建立传热方程后，仿真墙体内层壁温对外层壁温变化响应特性表明：常规建材，内层壁面温度对外层壁面温度变化的响应基本无滞后现象，且不存在温度相对恒定阶段；复合建材，内层壁面温度对外层壁面温度变化的响应有滞后现象，且存在温度相对恒定阶段，最高温度也较低；而含水相变复合建材，滞后现象更明显、温度相对恒定阶段更长、最高温度更低。对比实际测试结果表明，仿真结果和实际测试结果相近，表明物理模型的简化和传热方程的建立与实际情况相符。由此可知，将相变储能材料引入到建材中后，可达到降低建筑物内部温度、减小建筑物空调制冷系统的容量的目的，而将水引入到相变储能材料中后，其性能将得到进一步的加强，为节约建筑制冷能耗和费用提供了良好途径。本研究工作，实现了相变储能材料的高储能密度化、常温下发生固—液相变和低成本生产，对推动相变材料的广泛应用具有一定的意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1相变储能研究的历史与现状

1.2相变储能材料分类

1.2.1固—液相变储能材料

1.2.2固—固相变储能材料

1.3相变建筑材料

1.3.1相变储能建筑材料

1.3.2可阻燃的相变储能建筑材料

1.3.3其它相变储能建筑材料

1.3.4相变储能建筑材料的制作技术

1.3.5相变建筑材料现存主要问题

1.4对相变储能材料的展望

1.5本论文的研究内容和目标

1.6本章小结

第二章常温相变储能石蜡制备及加水高储能密度化

2.1低熔点石蜡制备

2.1.1实验材料和设备

2.1.2低熔点相变石蜡制备方法

2.2低熔点相变石蜡热性能测试

2.3相变材料的高储能密度化

2.3.1储能密度提高方法

2.3.2微乳形成机理、组成和制备方法

2.3.3常温相变石蜡微乳液的配制

2.4本章小结

第三章高储能密度相变石蜡微囊化

3.1微囊化的概念及微囊的组成

3.2微囊化方法

3.2.1化学法(聚合反应法)

3.2.2物理化学法

3.2.3物理法

3.3相变储能微囊的应用

3.3.1能量利用和热交换领域

3.3.2温度控制领域

3.3.3军事领域

3.4高储能密度相变石蜡微囊制备

3.4.1微囊壁材的选择和成囊机理

3.4.2含水相变材料复乳制备

3.4.3膜孔法制备储能微囊

3.4.4含水相变储能微囊表征

3.5本章小结

第四章相变储能建筑材料制备及性能

4.1石膏基相变储能建筑材料制备

4.1.1实验原料和设备

4.1.2石膏基含水石蜡相变储能建筑材料成型

4.2石膏基相变储能建筑材料性能研究

4.2.1石膏基相变储能建筑材料储能密度研究

4.2.2石膏基相变储能建筑材料导热系数测试

4.2.3石膏基相变储能建筑材料储/放热特性测试

4.2.4实际储/放热过程环境温度变化响应研究

4.3本章小节

第五章相变储能材料温度变化响应模拟

5.1数学模型的建立及其边界条件的确定

5.1.1传热数学模型的建立

5.1.2边界条件

5.2 ANSYS相变热分析

5.3相变储能石蜡比热测定及焓值求算

5.4 ANSYS仿真

5.4.1不含相变材料石膏板温度变化仿真

5.4.2不含水相变储能石膏板温度变化仿真

5.4.3含水相变储能石膏板温度变化仿真

5.5结果分析

5.6本章小结

结论与建议

结论

建议

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

评定意见