面向储热的纳米复合相变材料熔化传热特性实验研究

摘要

固液相变材料具有储热密度高、相变过程温度几乎不变且体积变化小、熔点分布广、化学性质稳定等优点，在可再生能源储热、工业余热利用以及电子器件热管理等领域获得了广泛应用。常用的有机相变材料虽然具有较大的比热容和相变潜热，但是它们的导热系数通常很低，严重影响储热系统的整体换热性能，也因此制约了它们的实际应用。随着纳米技术的快速发展，添加具有高导热系数的纳米颗粒成为了一种改善相变材料传热性能的新兴手段。 以往关于纳米复合相变材料的研究主要集中在材料的制备与热物性表征上，近年来与纳米复合相变材料相关的固液相变传热问题则受到了越来越多的关注。受制于实验设备和手段，现阶段纳米复合相变材料的相变传热过程研究多采用数值模拟方法，然而计算得到的结果往往与实测值偏差很大，甚至呈现完全相反的趋势。这一现象表明数值模拟研究结果并不能真实地反映和预测纳米复合相变材料的相变传热行为与储释热性能。此外，目前关于纳米复合相变材料相变传热特性的研究更多关注熔化速率上的改变，储热速率如何变化还鲜有研究和报道。基于以上原因，有必要采用实验方法来研究添加纳米颗粒对相变材料熔化传热特性和储热性能的影响规律及机理。 本文以十四醇（熔点35℃）和十二醇（熔点22℃）为载体相变材料，采用“两步法”制备了石墨烯纳米片质量分数分别为0wt.%、0.5wt.%、1wt.%、3wt.%的纳米复合相变材料，并对材料的微观结构、稳定性以及关键热物性参数（包括导热系数、粘度、熔化潜热、熔点、比热容以及密度）进行了表征。选取水平板上底部加热和球形容器内周向加热这两类经典物理模型，采用实验方法研究了上述两类问题在等温加热条件下的约束熔化和非约束熔化传热过程。 研究结果显示，对于水平板上和球形容器内的约束熔化传热过程，虽然添加纳米颗粒提高了相变材料的有效导热系数，但是粘度的增加也削弱了熔化传热过程中的自然对流效应。在本文所研究的大部分工况范围内，添加石墨烯纳米片对导热的强化作用不足以弥补自然对流传热的削弱损失，整体熔化速率反而会下降。同时，由于添加纳米颗粒会减小单位质量和单位体积下相变材料的比热容和熔化潜热，即使在熔化速率加快的工况下，复合相变材料的储热速率也并不一定能得到提升。只有在自然对流强度最弱的工况下（传热温差和纳米颗粒的质量分数均较低）才能同时获得熔化速率和储热性能上的提升。此外，通过拟合实验数据得到了熔化率和努塞尔数的关联式，预测精度在±20%以内。 对于水平板上的非约束熔化（接触熔化）传热过程，添加纳米颗粒虽然可以明显提高相变材料的有效导热系数，但是同时会以更大的幅度增加相变材料的粘度，阻碍固态材料挤压并排出液相材料，增加液膜厚度，增大传热热阻。导热能力强化和液膜厚度增加之间的相对关系是决定添加纳米颗粒如何影响接触熔化传热过程的关键因素。在本文所研究的工况范围内，添加较低浓度的纳米颗粒可以起到强化传热的效果，提高相变材料的熔化速率和储热速率，而添加较高浓度的纳米颗粒反而会恶化传热性能和储热性能。此外，通过拟合实验数据得到了熔化率的关联式，预测精度在±20%以内。 对于球形容器内的非约束熔化传热过程，添加纳米颗粒虽然提高了相变材料的有效导热系数，但是所带来的粘度增长也会削弱熔化过程中的自然对流，同时还会阻碍固态材料挤压并排出液相材料，增加球体底部接触熔化处的液膜厚度，增大传热热阻。在本文所研究的大部分工况范围内，添加石墨烯纳米片对导热强化作用不足以弥补两方面恶化作用带来的综合损失，熔化速率和储热速率均随质量分数的增大而不断降低。此外，通过拟合实验数据得到了熔化率和努塞尔数的关联式，预测精度在±15%以内。 综上所述，对于纳米复合相变材料的熔化传热过程，在导热系数提高带来的正面作用和粘度增长带来的负面作用的综合影响下，添加纳米颗粒并不一定能加快熔化速率和储热速率。当采用实测得到的等效热物性进行数据处理时，可以通过拟合实验数据获得具有一定预测精度的关联式，为实际工程应用提供参考。

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