金属基相变复合蓄热材料的实验研究

摘要

随着全球工业的迅猛发展和人民生活水平的提高，以及人类对能源的大量开发和利用，能源问题越来越为人们所关注。为此，开发和利用先进的节能技术已显得尤为重要。储能研究是缓解能源供给与需求失配的一种重要措施。能源是人类社会的生存与发展休戚相关的。新能源及新能源材料是这两大技术的重要组成部分，对我国发展尤为重要。这是因为我国的工农业生产还要继续快速发展，众多人口的生活水平及生活质量的提高也都要消耗大量的能源；另一方面我国环境的污染情况也待治理。因此，发展新能源及新能源材料是我国进入21世纪必须解决的重大课题。 目前，热能的储存一般分为显热式储能和潜热式储能。潜热储热一般具有蓄热量较大，化学稳定性好等优点，但相变化时液固两相界面处的传热效果差。显热储热一般具有机械稳定性好、方便等优点，但蓄热量较小，并且很难保持在一定的温度下进行吸热和放热等特点。因而单一介质材料在工业的应用就受到限制。理想的蓄热材料应满足这样的一些条件：蓄热密度大，传递性能良好，体积变化小，不存在过冷的问题，化学性稳定，既安全又经济，并且容易从自然界获得或者人工开发。 提高蓄热系统的相变速率、热效率、储热密度和长期稳定性是目前面临的重要课题。本文在综述了大量参考文献的基础上，制定了一套生产一种新型高性能复合蓄热材料的制备工艺，并进行了一系列实验研究。 成功地制备了以泡沫金属镍为基体和熔融盐复合形成新型高性能复合蓄热材料。泡沫金属镍具有传热性能好，熔融盐具有蓄热量大、化学稳定性好等优点。从而这种新型复合蓄热材料既克服了潜热贮能材料在相变时液固两相界面处的传热效果差和显热贮能材料蓄热量小及很难保持在一定的温度下进行吸热和放热等缺点，又兼备了固体显热蓄热材料和潜热材料两者的优点。 用扫描电镜(SEM)，X射线衍射分析(XRD)，以及差热差重分析(TG-DTA)等手段对复合蓄热材料的结构与性能进行研究。通过实验改变不同的体系组成、复合温度、复合时间等条件，探讨了各种条件的改变对实验过程和结果的影响。确定了制备新型高性能复合蓄热材料的优化条件，设计了最佳制备工艺。 用X衍射物相分析来检测这种新型相变蓄热复合材料的成品中是否发生化学反应。测试结果表明样品中的主要成分还是金属镍和熔融盐，这与预期的效果相一致。用扫描电镜(SEM)对样品进行分析可以看出熔融盐比较均匀充分地分布在多孔质网状结构金属镍基体中。当温度超过熔融盐的熔点时，熔融盐熔化而吸收潜热，且因毛细管张力作用而不会流出。并且金属骨架把相变熔融盐分成无数个微小的蓄热单元，这种微小的蓄热单元在吸热和放热过程中就不会存在传热恶化的现象。通过差热差重分析(TG-DTA)表明样品复合温度一般高出熔融盐50-150℃左右，当温度再上升，由于复合材料的重量下降，导致其蓄热密度下降。通过实验并对熔融盐在复合材料中的比例与时间作图表明复合最佳复合时间为2-3小时左右，此时熔融盐在复合材料中的比例较高，使得复合材料具有很大的蓄热量。并且再增长时间容易生成其它物质。并且通过计算表明该复合蓄热材料具有很大的蓄热密度和较大的导热系数。 实验确定制备的优化工艺条件为：复合蓄热材料的复合温度一般高出熔融盐相变温度50-150℃为最佳使用温度范围；复合蓄热材料最佳复合时间为2-3小时左右；用该工艺制备的新型复合蓄热材料具有快速放热、快速蓄热、蓄热密度高和导热系数大等优点，并且这种复合蓄热材料的耐腐蚀性也较好。该新型复合蓄热材料既兼备了固体显热蓄热材料和潜热蓄热材料两者的优点，又克服了两者的不足，从而使之具备能快速放热和快速蓄热，蓄热量大的特有性能。将这种新型复合蓄热材料运用到工业炉的余热回收装置中，可使得工业炉的余热达到极限回收。为此这种新型复合蓄热材料有着广阔的发展和应用前景。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1能源概述与余热回收

1.1.1能源现状

1.1.2余热资源的回收利用概况

1.2传统蓄热材料的发展与技术

1.2.1蓄热材料发展现状

1.2.2蓄热技术的发展过程

1.2.3常见的蓄热方式

1.2.4蓄热技术的应用

1.3复合蓄热材料的发展与应用

1.3.1复合材料的概述

1.3.2复合蓄热材料的发展

1.3.3复合蓄热材料的应用

1.4本论文研究的目的、意义、内容和方法

1.4.1研究的目的、意义

1.4.2研究的内容和方法

第二章材料制备过程的理论研究

2.1传统蓄热材料的蓄热原理

2.2新型复合蓄热材料的蓄热原理

2.3各种相变材料的加热分解基础反应

2.4镍与各种熔融盐在高温下反应的热力学分析

2.5复合材料充填蓄热室的结构图

2.6蓄热室应用于工业炉余热回收的实验装置图

第三章新型复合蓄热材料的制备与表征

3.1试验目的

3.2试验设备

3.3实验试剂

3.4实验流程

3.5原料的选择

3.5.1相变熔融盐材料的选择

3.5.2金属基体材料的选择

3.6新型复合蓄热材料的制备

3.7新型复合蓄热材料样品的表征

3.7.1X-射线显微成分分析

3.7.2扫描电镜(SEM)

3.7.3差热-差重(TG-DTA)分析

第四章实验结果与讨论

4.1复合蓄热材料的微观型貌

4.2材料制备过程中复合时间的确定

4.3材料制备过程中复合温度和最佳使用温度的确定

4.4 X-射线显微成分分析

4.5蓄热密度

4.5.1复合时间、复合温度对复合材料的蓄热密度的影响

4.5.2复合蓄热材料的蓄热密度与单一材料的蓄热密度的比较

4.6复合材料的导热系数

4.7复合材料的蓄热时间和放热时间

4.8复合材料的耐腐蚀性

4.9优化工艺的确定

第五章总结与展望

致谢

参考文献

附录 参与的科研项目及发表的论文