三水醋酸钠过冷度及传热性能的同步优化研究

摘要

热能储存技术作为一种行之有效的方法来提高能源利用效率，其主要是利用了介质材料将暂时不用的余热、废热、低品位热能等其它能量储存起来，以待需求时再使用，从而解决了能源的供需在时间和空间上的不匹配问题，以达到提高能源利用效率的目的。目前，热能存储的主要方式有潜热存储、显热存储和化学热存储。然而，相变储能因其具有储能密度大、相变潜热高以及相变过程易控制和近似恒温的特点，而受到了广泛的研究和关注。相变储能技术的核心是相变材料，相变材料按其成分可分为有机相变材料、无机相变材料和混合相变材料。其中，无机相变材料因其价格低廉、来源广泛、相变温度适中以及较高的相变潜热，而被应用于太阳能、工业、农业、建筑等领域。三水醋酸钠（CH3COONa·3H2O，Sodium Acetate Trihydrate，简称SAT）以其合适的相变温度、较大的相变潜热、稳定的化学性质和价格优势，成为了目前备受关注的无机相变材料。然而，无机相变材料都普遍存在的过冷倾向、相分离以及导热系数小的问题，却严重地限制了它的应用。因此，如何有效的改善SAT的过冷和相分离问题，并提高其释放热速率，成为了本文主要的研究内容。具体工作如下： （1）首先，实验采用步冷曲线法，研究了纯SAT在融化-凝固过程中的相变特性。结果得出，SAT 融化完全后，置于环境温度下冷却至室温也未凝固释放潜热，表明其具有极强的过冷倾向。其次，本文选用了几种文献中提出的材料作为成核剂，以改善SAT的过冷度，如：十二水磷酸氢二钠（Na2HPO4·12H2O）、九水硅酸钠（Na2SiO3·9H2O）、焦磷酸钠（Na4P2O7·10H2O）、纳米铜（Nano-Cu）。其中，根据大量文献的报道，实验选用羧甲基纤维素钠（CMC）作为增稠剂，来改善 SAT的相分离问题。结果表明，无机水合盐成核剂自身存在的过冷和相分离问题以及金属纳米铜与空气接触易被氧化的化学性质，使其在SAT复合相变体系内失去了稳定的成核效果。 （2）根据纳米材料晶体结构与SAT的相似性，实验选择了三种纳米金属氧化物：纳米四氧化三铁（Fe3O4）、纳米氧化铁（α-Fe2O3）、钇稳定氧化锆（YSZ）分别作为SAT的成核剂，并添加CMC作为增稠剂，来协同改善SAT的过冷度和相分离问题。结果表明，添加三种纳米材料作为成核剂，都能将SAT的过冷度控制在较小的范围内（0-0.1℃），且对强化复合相变材料的导热性能有一定的提升效果（0.92%-22.5%）。此外，通过XRD分别表征了各复合相变材料的物相结构，显示纳米成核剂与SAT间仅为简单的物理混合，并未发生化学反应。最后，复合相变材料在经历 50 次融化-凝固循环后，仍保持着较好的相变特性和循环稳定性，说明这三种纳米金属氧化物是有效且稳定的成核剂。 （3）添加泡沫铜作为强化传热基体，研究了泡沫铜孔隙率对泡沫铜/YSZ/SAT 复合相变材料过冷度及导热性能的影响，结果表明，泡沫铜/YSZ/SAT复合相变材料的导热性能随着孔隙率的增加而增大，且泡沫铜/YSZ/SAT复合相变材料的导热系数相比于纯SAT提高了5.9-9.4倍。此时，泡沫铜复合相变材料的过冷度在1.45-2.85℃之间，且其体积储能密度高达448.6-473.0 MJ/m3，是水的2.09-2.20倍。最后，泡沫铜复合相变材料在经历20次循环后，其过冷度仍被控制在1.9-3.3℃范围内，表明该复合相变体系不仅具备优良的导热性能，同时也拥有稳定的相变特性。 本文首先分别对无机水合盐和纳米金属单质成核剂的成核效果及其自身的稳定性进行了研究。其次，通过分析纳米成核剂与SAT间晶体结构的相似性，选择了三种物理化学性质稳定的金属氧化物（Fe3O4,α-Fe2O3，YSZ）作为成核剂，研究了纳米成核剂含量对SAT过冷度及导热系数的影响。最后，通过比较选择YSZ作为成核剂，金属泡沫铜作为强化传热的基质，研究了其对于SAT过冷度和导热性能的协同优化效果，并对比分析得出泡沫铜/YSZ/SAT复合相变材料在工程应用中的巨大潜力。

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