基于太阳能低温集热蓄热的相变流体制备及性能研究

基于前期对相变流体的实验研究,选定了以质量分数为20%的烃类相变流体作为基液,制备了多组以TiO_2纳米颗粒为添加剂,SDBS为分散剂的添加纳米颗粒的相变流体。通过改变纳米颗粒质量分数、粒径以及分散剂质量分数,分析不同相变流体随温度变化的热物性及稳定性,最终得出烃类相变流体中分别添加质量分数为0.1%的20 nm TiO_2纳米颗粒及质量分数为0.1%的SDBS分散剂,其热物性及稳定性最佳。为添加纳米颗粒的相变流体的制备及其在太阳能低温集热蓄热领域的应用提供了参考。     

添加纳米颗粒和分散剂的相变流体性能测试研究

结合太阳能低温集热蓄热,基于前期选定的烃类相变流体,通过热物性和稳定性测试对比,选取了适合的纳米颗粒(TiO_2)和分散剂(SDBS),分析了纳米颗粒质量分数、粒径以及分散剂质量分数对相变流体的热物性及稳定性的影响。结果表明,纳米颗粒质量分数越大,颗粒粒径越大,相变流体的热物性及动态稳定性越差,而分散剂质量分数对相变流体的动态稳定性影响不大。烃类相变流体中分别添加质量分数为0.1%的20 nm TiO_2纳米颗粒和质量分数为0.1%的SDBS分散剂,其热物性及稳定性最佳。     

基液为丙醇/水的相变微胶囊悬浮液的制备、稳定性及热物性

相变微胶囊悬浮液是潜热型功能热流体中的一种,其性能稳定、储热密度高且适用温度范围广,在强化传热与储热领域有着较大的应用潜力。制备了以丙醇/水溶液为基液的相变微胶囊悬浮液,研究了丙醇/水的配比对悬浮稳定性的影响。进而测定了相变微胶囊悬浮液中粒子的微观形态、粒径分布、悬浮液粘度及流变特性、相变潜热、比热容和导热系数等热物性参数,分析了温度和质量浓度等因素对其热物性的影响。结果表明,所制备的微胶囊悬浮液在浓度高达40%时仍表现出牛顿流体的特性且粘度较低,拥有较高的储热密度且稳定性较好。导热系数则随浓度的升高而线性减小,且在相变区间内呈现随温度先升高后降低的趋势。     

温度和颗粒浓度对纳米流体粘度的影响

采用"两步法"制备了含有不同质量分数的TiO2-水纳米流体,并观察了其稳定性。测量了不同质量分数的纳米流体在15～40℃时的粘度,结果表明,纳米流体的粘度随颗粒浓度的增加而增大,随温度的升高而以指数形式降低,并且各种纳米流体的粘度随温度的变化趋势相似。结合实验数据,对已有粘度计算公式进行修正,提出了涉及温度和颗粒浓度的纳米流体粘度计算公式。     

纳米流体稳定性和粘度的影响因素分析

采用"两步法"制备质量分数为0.5wt%～4.0wt%的Cu-乙二醇纳米流体,研究超声时间、浓度和温度对纳米流体稳定性及粘度的影响。研究结果表明,温度为20℃时,分析经过超声15～75min处理的Cu-乙二醇纳米流体(4.0wt%)粘度发现,超声45min时其粘度最大;分析超声45和60min的纳米流体透射电镜(TEM)图像发现,超声45min时其稳定性更优;在乙二醇溶液里添加Cu纳米颗粒会影响流体的粘度,且粘度随粒子质量分数增大而增大,流体稳定性随质量分数增大而减小;Cu-乙二醇纳米流体的粘度随温度的升高而变小。通过分析实验数据,在修正已有的粘度模型基础上,拟合纳米流体粘度与粒子浓度、温度的关系,提出了新的粘度计算公式。根据固溶体的形成机理和能量最低原理对以上现象进行了理论解释。     

添加TiO2纳米颗粒和分散剂的相变流体粘度实验研究

选定质量分数为30%的烃类相变流体作为基液,采用"两步法"配制了多种添加纳米颗粒(TiO_2)及分散剂(SDBS十二烷基苯磺酸钠)的相变流体,测试分析了纳米颗粒质量分数、粒径及分散剂质量分数对相变流体粘度的影响。结果表明,相同温度下,纳米颗粒质量分数越大,纳米颗粒粒径越大,相变流体粘度越大。而相变流体粘度随分散剂质量分数增大呈先减小后增大的趋势,当分散剂质量分数为0.1%时,相变流体粘度达到最小。     

中低温环境下Al_2O_3-乙醇纳米流体稳定性的研究

采用"两步法"制备浓度为1.0%且不含分散剂的Al2O3-乙醇纳米流体,研究了中低温环境下温度变化对Al2O3-乙醇纳米流体稳定性的影响。采用紫外吸光度方法评价了纳米流体的稳定性;测试了悬浮颗粒的粒径分布并拟合出不同温度下粒径分布随时间的变化关系,计算了悬浮颗粒的沉降速率并拟合出不同温度下沉降速率随时间的变化关系;从势垒值变化的角度解释了温度影响纳米流体稳定性的原因。结果显示,Al2O3-乙醇纳米流体能在低温下保持较好的稳定性。     

尿素浆体的制备及其流动特性研究

相变蓄冷浆体材料具有良好的流动性与高蓄冷密度,既可以充当蓄冷材料又可以作为载冷剂输送冷量。冰浆是一种安全高效的蓄冷介质,已广泛应用于蓄冷空调。然而冰浆制备温度低,限制其在空调系统中的能源利用效率。研究发现,对高质量浓度尿素溶液降温冷却可以制备尿素浆体,相变温度范围覆盖空调工况,且相变潜热较高,具有应用潜力。本文针对尿素溶液的热物性和尿素浆体的流动性能进行了实验研究,结果表明：质量浓度为43%~48%的尿素溶液的相变温度为5~12 ℃,潜热为213.7~223.2 J/g;尿素溶液（C＞32.5%）在液相线处密度随溶液质量浓度的增大而增大,运动黏度变化则相反;尿素浆体流动特性受固相率、Re的影响,不同工况下呈涨塑性流体特征。     

TiO_2-H_2O纳米流体热物性研究

制备了粒度分布为11~50nm的TiO2-H2O纳米流体,测量了纳米流体的相变潜热、表面张力和过冷度。相对于去离子水,质量分数为1%的纳米流体相变潜热减小了2.4%,表面张力增大了1.6%,过冷度降低了66.2%。纳米流体过冷度随TiO2浓度增大而降低,表面张力随TiO2浓度增大没有明显变化。运用相变动力学原理,对纳米流体过冷度降低的机理进行了分析。     

对一种新型相变微乳液的物理性质及稳定性的研究

相变流体(PCS)是一种新颖的储传热介质,其表观比热和传热能力比水大,在换热强化和能量输运领域有广泛应用,但传统的相变流体在实际应用中有很大的缺陷。使用工业级相变石蜡制备了一种新型相变储能微乳液,并测定了该材料的相变微粒的粒径、粘度、相变潜热及稳定性等性质。测试结果表明,制备的相变微乳液拥有较高的储能能力和稳定性,在热交换等领域具有广阔的应用前景。     

相变材料的复合及其调温性能研究

为了进一步拓宽相变材料的应用范围和使用价值，开发新型储能材料，采用“溶胶-凝胶”工艺制备出不同相变材料A质量分数的复合相变材料。运用DSC、TG、DTG、IR以及偏关显微镜等手段对复合材料的热性能及结构进行了测试和分析。结果表明，复合相变材料的相变焓及相变温度随相变材料A质量分数不断增加而增大，复合后材料的相变焓及相变温度均低于纯相变材料的相变焓及相变温度。红外显示二氧化硅和相变材料之间仅仅是嵌合关系。偏光照片显示复合材料表面有多孔结构，材料被嵌入二氧化硅网络结构中，从而改善了固．液材料相变过程泄漏问题，提高了材料稳定性。     

TiO_2-H_2O混合纳米流体的稳定性

采用水热合成法制备TiO_2纳米管(TiNTs)和纳米片(TiNSs),以不同浓度比将两种纳米颗粒分散在水中形成水基混合纳米流体,研究了纳米流体总浓度和两种纳米颗粒浓度比对混合纳米流体稳定性的影响。通过纳米颗粒沉降高度随时间的变化计算了纳米颗粒的相对沉降速率,并用沉降速率评价了纳米流体的稳定性。结果显示,纳米流体总浓度越大,纳米颗粒沉降速率越小,纳米流体越稳定;总浓度相同时,在TiNTs浓度高的情况下,混合纳米流体的稳定性较好且优于单组份TiNTs和TiNSs纳米流体,但在TiNSs浓度高的情况下,混合纳米流体的稳定性较差。测试了不同剪切速率下纳米流体的粘度;从粘度变化的角度解释了纳米流体总浓度与TiNTs和TiNSs浓度比影响纳米颗粒沉降速率的原因。     

膨胀石墨基复合相变材料的热稳定性研究

以膨胀石墨(EG)为载体材料,烷类(二十一烷、二十二烷)和脂肪酸类(正癸酸、硬脂酸)为相变材料,采用熔融共混法制备了不同类型膨胀石墨基复合相变材料,通过对其微观形貌、结构组成、热稳定性等表征测试,探究不同种类膨胀石墨基复合相变材料的热稳定性原理。结果表明,EG具有大量不同尺寸、结构和层次的微孔结构,是由10~50μm厚的石墨片叠合成的平行塌陷片层构成,具有良好的吸附性和稳定性,EG通过微孔束缚、氢键及表面极性等作用对相变材料进行物理吸附,使其热稳定性提高;随着EG含量的增加,烷类复合相变材料的热分解温度逐渐升高,分解速率减慢,脂肪酸类复合相变材料分解温度有所降低,分解速率减慢,但二者都在25~80℃间表现出良好的热循环稳定性,具有优良的热效率和热稳定性,满足中低温体系的温度调控要求。     

正构烷烃热物性的理论预测及实验研究

选取正十七烷、正十八烷、正二十烷有机相变材料进行两两混合,制备二元混合物,利用差示扫描量热仪研究二元混合物的相变温度及相变潜热。选取理论计算公式对不同质量配比的二元混合物的相变温度及相变潜热进行理论预测,并与实验值进行对比。结果表明,制备的二元混合物的相变温度及相变潜热的实验值与理论计算值吻合较好,证明所选取的理论计算公式应用于正构烷烃相变温度和相变潜热的预测是可行的。     

相变微胶囊功能材料制备及应用基础研究

总结了国内外近年来相变微胶囊的制备方法、性能表征及相关改性的工作。目前常用的制备方法为原位聚合法、界面聚合法和凝聚法;性能表征主要是微胶囊的相变潜热相变温度、热稳定性、粒径和化学结构等。结合目前所开展的基础性研究工作,指出若要实现相变微胶囊的大规模工程装备,必须进一步研制出高导热率、壳体牢固的一类相变微胶囊;制备出稳定、低阻、高热容、高热导率的潜热型功能热流体,并进一步掌握这种流体的流动及强化传热机理。     

Study of the relationship between nanofluid＇s stability and conductivity

基于Maxwell电磁理论中电解质悬浮液中粒子质量分数和电导率之间的关系,提出了一种判定纳米流体悬浮稳定性的方法,并进行了实验验证。实验中,采用＂两步法＂经超声振荡制备了CuO/去离子水纳米流体。利用电导率仪测量了不同质量分数时纳米流体的电导率,建立了质量分数与电导率的关系,同时研究了温度对电导率的影响。结果表明电导率随着颗粒质量分数的增加而增加,随着质量分数的减小而减小;随着温度的增长,电导率只有微小变化,可以忽略温度对电导率的影响。     

纳米流体悬浮稳定性和电导率的关系研究

基于Maxwell电磁理论中电解质悬浮液中粒子质量分数和电导率之间的关系,提出了一种判定纳米流体悬浮稳定性的方法,并进行了实验验证。实验中,采用"两步法"经超声振荡制备了CuO/去离子水纳米流体。利用电导率仪测量了不同质量分数时纳米流体的电导率,建立了质量分数与电导率的关系,同时研究了温度对电导率的影响。结果表明电导率随着颗粒质量分数的增加而增加,随着质量分数的减小而减小;随着温度的增长,电导率只有微小变化,可以忽略温度对电导率的影响。     

正癸酸-月桂酸-硬脂酸三元低共熔体系/膨胀石墨复合相变材料的制备与表征

将正癸酸(DA)、月桂酸(LA)和硬脂酸(SA)熔融共混制备了三元体系相变材料(DA-LA-SA),以DA-LA-SA为相变材料,膨胀石墨(EG)为载体材料,用熔融共混法制备不同DA-LA-SA含量的三元低共熔脂肪酸/膨胀石墨复合相变材料(DA-LASA/EG-PCMs)。采用FT-IR、XRD、SEM、TGA和DSC对其组成成分、晶体结构、微观形貌、相变温度和相变焓进行表征。结果表明,当DA、LA和SA的质量配比为1∶8∶1时,DA-LA-SA具有较低的相变温度和较高的相变焓;EG由大量的微孔构成,通过微孔束缚和表面吸附与DA-LA-SA物理结合,具有良好的稳定性;EG质量分数为10%时,所制备的DA-LA-SA/EG-PCMs三元相变体系复合相变材料的相变温度为38.6℃,相变焓为123J/g,导热系数为3.572 1 W·(m·K)-1,分散均匀,颗粒粒径较小,具有优良的热性能和稳定性。     

水基纳米碳化钛流体稳定性分析

通过两步法制备出分散稳定性能好的水基碳化钛流体,采用分散稳定性分析、纳米颗粒表征来分析其状态。分散稳定性分析探讨了分散剂质量分数及pH值对水基流体稳定性的影响,纳米颗粒表征探讨了制备后流体中碳化钛晶相成分变化、颗粒表面分散剂吸附情况及颗粒存在形式。     

纳米氧化铜/辛酸-肉豆蔻酸相变储能材料的制备及热物性

辛酸(OA)-肉豆蔻酸(MA)是一种极有发展潜力的相变材料,但是因过低的导热系数限制了其进一步大规模推广。通过添加纳米氧化铜(CuONP)改善其导热性,制备了一种融化温度在7~9℃的可用于空调蓄冷系统的新型相变储能材料。利用理论模型预测OA-MA二元共熔体系的融化温度与相变潜热,发现计算结果与实验不符。对比不同分散剂对CuONP的分散效果,发现白猫洗洁精分散效果最好。通过步冷试验、差示扫描量热法(DSC)、瞬态平面热源法(Hotdisk)及加速热循环实验,对比不同质量比CuONP对OA-MA在宏观热表现、融化温度、相变潜热、导热系数与热扩散率等方面的影响来研究纳米流体的传热传质机理,并提出了热扩散率与相变潜热的拟合曲线;根据材料300次与600次循环后的融化温度与相变潜热,发现该材料循环热稳定性较好。