相变材料的热物性测量和流动传热特性研究

摘要

近些年来，随着地球上的自然资源急剧消耗，人们面临着资源短缺和环境恶化等难题。缓解能源环境现状，不仅关乎到科学技术和工业的发展，更关系到人类自身的生存与发展。所以，如何解决能源环境危机，已经成为了全世界人民共同关注的话题。
　　为了更加有效地利用能源，可以将能源储存起来。在各种储能方式中，潜热储能具有储能密度大、适用范围广和灵活性好等优点，所以在节能储能领域上具有非常好的应用前景。作为潜热储能研究领域中非常重要的一种能量载体，相变材料也越来越引起人们的关注。相变材料最大的特点是在相变过程中，材料虽然吸收或放出大量的热量，但是温度近乎恒定。目前，相变材料主要分为无机相变材料、有机相变材料和混合相变材料三类。本文研究了作为一种典型的无机相变材料的结晶水合盐的热学性能。以四丁基溴化铵（TBAB）、四丁基溴化磷（TBPB）和四丁基氯化铵（TBAC）为主要研究对象，通过实验分别测量了它们的相变温度、相变潜热和水合物晶体所携带的水分子数目等热物性参数。对于有机相变材料和混合相变材料，本文主要通过制备月桂酸-硬脂酸二元共熔物并研究其热学性能来确定该共熔物在电动汽车电池热管理系统上的应用前景。我们主要研究了月桂酸和硬脂酸这两种脂肪酸形成二元共熔物时的它们的质量比，并确定共熔物的相变温度、相变潜热、比热容和热稳定性。为了强化该共熔物的传热性能，本文尝试将膨胀石墨作为高热导率基材加入其中，制备出新的复合相变材料。然后又通过测量加入膨胀石墨后的共熔物的热物性参数的变化，来确定膨胀石墨对脂肪酸共熔物热学性能的影响，并通过对微观结构的分析，研究了膨胀石墨提高热导率的机理。除了热学性能，相变材料的流动传热特性也是相变储能领域的研究重点。所以本文通过建立三维数值传热模型来预测石蜡/泡沫铜复合相变材料在腔体中的融化传热情况，并且搭建了实验台来进行该复合相变材料的实际融化实验。将实验的结果与数值模拟得到的结果进行对比并相互印证，不仅验证了建立的数学模型的准确性，而且可以使该模型预测类似工况下的融化传热过程，以减少实际生产中的工作量。
　　研究所得结果如下：（1）对结晶水合盐的研究表明，TBAB水合物晶体的相变温度在0-12℃内，TBPB水合物晶体的相变温度在0-10℃内，TBAC水合物晶体的相变温度在0-15℃内，这种温度范围的相变温度表明TBAB、TBPB和TBAC都可以很好地运用在空气调节系统上。TBAB、TBPB和TBAC这三种水合物晶体的相变潜热值分别为180-190kJ/kg、186-194kJ/kg和181 kJ/kg，相比于显热储能以及大部分相变材料的相变潜热，这些结晶水合盐相变材料的相变潜热明显大了不少，也说明了利用了这些结晶水合盐的储能系统具有储能密度大的优点，因此结晶水合盐相变材料可以被用来储能和传输介质。（2）对月桂酸-硬脂酸二元共熔物的热学性能的研究表明，当两者的质量分数为76.3％和23.7%时，形成共熔物，其熔化温度为38.99℃，相变潜热值为159.94kJ/kg。（3）通过研究在二元共熔物中加入质量分数为10%的膨胀石墨后的热物性参数，发现加入膨胀石墨后，该共熔物的相变温度有了微小变化，过冷度有了减小，相变潜热值与理论值保持一致。（4）通过微观结构的分析，我们可以知道，膨胀石墨提供了致密的网络状结构，可以用来很好地吸收熔融状态的脂肪酸，并且膨胀石墨与脂肪酸之间有很好的润湿性和兼容性。（5）利用瞬态平面热源法来确定了脂肪酸纯净物、二元混合物以及加入膨胀石墨后的脂肪酸的热导率，测量结果表明加入的膨胀石墨，可以大大地提高脂肪酸的热导率。（6）通过热重分析仪来研究了脂肪酸的热学稳定性，结果表明月桂酸、硬脂酸、二元共熔物以及加入膨胀石墨后的共熔物都具有很好的热学稳定性。（7）采用双温度模型来研究在石蜡/泡沫铜复合相变材料融化过程中，泡沫铜和石蜡的传热性能差异，得到了融化过程中的相界面，监测点的温度变化曲线，温度场分布。（8）通过实验，得到实际实验过程中泡沫铜和石蜡的温度变化曲线、相界面和温度场，验证了建立的数学模型的准确性，并确定了不同阶段时占据主导地位的传热方式的不同以及相界面的成因。

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符号说明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 传热性能的强化

1.4 相变材料的应用前景

1.5 流动传热性能

1.6 存在的问题与不足

1.7本文主要研究内容

第二章 结晶水合盐相变材料的热物性研究

2.1 材料制备

2.2 实验方法

2.3 结果与分析

2.4 本章小结

第三章 月桂酸-硬脂酸/膨胀石墨复合相变材料的热物性研究

3.1 材料制备

3.2 实验方法和过程

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 石蜡/泡沫铜复合相变材料的流动传热特性研究

4.1 数值模拟

4.2 融化传热实验

4.3实验结果及分析

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 研究存在的不足

5.3 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果