石蜡与石蜡/膨胀石墨复合材料充/放热性能研究

利用相变材料的充/放热实验台测试石蜡及石蜡/膨胀石墨(质量比分别为93/7及90/10)复合相变材料的充/放热性能。实验表明纯石蜡在充热过程中自然对流是其主要的换热方式,而放热过程中导热是主要的换热方式。在充/放热过程中,石蜡的充/放热效率都较低。而对于石蜡/膨胀石墨复合相变材料,其导热能力较石蜡有很大提高,但由于添加了膨胀石墨而削弱了对流换热,其换热方式是以导热为主。因此,添加膨胀石墨对充热速率提高不多,而对放热速率有大幅度提高。石蜡/膨胀石墨(93/7)复合材料充热过程所用时间为石蜡的62%,放热过程的时间为石蜡的43%。石蜡/膨胀石墨(90/10)复合材料充热过程所用时间为石蜡的52%,放热过程的时间为石蜡的35%。     

陶瓷-熔融盐复合相变储能材料（英文）CSCD

研究了石墨材料包括纳米石墨对基于硝酸盐陶瓷复合相变储热材料性能的影响。其目的在于制备一种可用于集中式太阳能热发电(CSP)和工业废热回收(IWH)等应用的新型高温复合相变材料,并且使用导热增强物质(TCE)提升相变材料的导热性能。复合相变储热材料主要由硝酸钠(NaNO_3)相变材料,氧化镁(MgO)陶瓷基体,以及不同种类、不同比例的石墨导热增强剂组成。通过对复合材料的形态及热物理性质测定表明:不同种类的石墨导热增强剂对复合材料的导热性能影响不同,复合材料的储热密度随复合材料中相变材料比例的增加而增加。所得基于硝酸盐的陶瓷复合材料均可在500℃保持良好的热稳定性,因此其潜在应用包括工业废热回收及集中式太阳能热发电系统(CSP)等。     

Discharge performance of a thermal energy storage unit with paraffin-expanded graphite composite phase change materials

本工作对石蜡（PA）及石蜡/膨胀石墨（97% PA/3% EG和95% PA/5% EG）复合相变储热材料的热性能进行了探究,考察了不同直径储热单元在干燥介质温度为25℃,风速为0.8 m/s条件下的放热性能。结果表明,在石蜡中添加膨胀石墨后,复合材料导热系数较纯石蜡分别提高了178.10%和214.30%,可以有效改善石蜡的导热性能,缩短放热时间;储热单元直径对放热性能有显著影响,随着石蜡相变储热单元直径的增大,放热时间线性增加;膨胀石墨的添加可以明显缩短放热时间,随膨胀石墨含量的增加,相同直径储热单元的放热时间逐渐缩短;膨胀石墨对储热单元放热性能的改善效果随直径变化而不同,在一定范围内随储热单元直径的增大而效果逐渐显著,达到极值后随直径的增大效果逐渐减弱,本实验条件下,最优储热单元直径在35~50 mm之间。结合实际生产需求,最优直径为35 mm。     

石蜡/膨胀石墨复合相变储热材料的研究

以膨胀石墨为基体,石蜡为相变储热介质,利用膨胀石墨对石蜡良好的吸附性能,制备出了石蜡／膨胀 石墨复合相变储热材料。由于毛细作用力和表面张力的作用,石蜡在固-液相变时,很难从膨胀石墨的微孔中渗 透出来。实验结果表明,石蜡/膨胀石墨复合相变储热材料没有改变膨胀石墨的结构和石蜡的固-液相变温度, 且其结合了石墨高的导热系数和石蜡大的相变潜热,因而储热密度较高,导热性能好。其相变潜热与对应质量 分率下的石蜡相当,储/放热时间比石蜡明显减少。     

热适应复合相变材料的制备与热性能

根据电子器件散热技术领域对热适应复合材料的性能要求,选取导热系数高且密度低的膨胀石墨作为无机支撑材料,石蜡作为有机相变材料,制备出高导热系数和储热密度的热适应复合相变材料.采用扫描电镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)、偏光显微镜(POM)和Hot Disk热常数分析仪等多种测试技术,对复合相变材料进行分析研究;通过储/放热实验和1000次热循环实验研究了复合相变材料的传热性能和热稳定性.实验结果说明该复合相变材料具有形状稳定、导热率高、储热密度大等特点,并具有良好的热稳定性和使用寿命.     

金属蜂窝/石蜡复合相变材料融化储热性能研究

针对金属蜂窝/石蜡复合相变材料融化储热过程中,金属蜂窝热传导与液相自然对流传热的竞争关系,基于流-固-热三场耦合理论,建立相变材料融化储热计算模型。开展相变石蜡融化试验,验证计算模型的正确性。进一步分析液相自然对流和金属蜂窝热传导传热的增强效应,以及两者间的竞争关系。结果表明：底部加热下的密闭方腔内相变石蜡融化储热过程可分为热传导、稳定增长、过渡和紊流等四个阶段;各阶段占总融化储热时间的比例分别为0.8%、2.3%、13.6%和83.3%。热量随着液相石蜡的自然流动实现无障碍传输,达到提升相变石蜡融化储热效率的目的。自然对流传热的增强效应随尺寸减小而显著降低,在尺寸小于2 mm后可忽略不计。金属蜂窝通过增大热传导性和传热面积,达到提升相变石蜡融化储热效率的目的。嵌入金属蜂窝后,相变材料储热过程中存在多层共融现象,且在融化区形成温度梯度。与纯石蜡储热效率相比,金属蜂窝作用呈现先增强后抑制的规律,当融化分数超出临界值0.77后,金属蜂窝将进入抑制阶段。     

A numerical investigation into the charge behaviour of a spherical phase change material particle for high temperature thermal energy storage in packed beds

基于高温相变材料,对填充床储热系统中储热单元球体的储热性能进行了模拟研究.研究了不同传热流体温度和球体直径对球体储热性能的影响规律,对导热为主的相变储热过程与导热和自然对流共同作用的相变储热过程进行了比较分析,同时还探讨了高温辐射换热的影响.结果表明,相变时间随球体直径的增大而增大,随传热流体温度的增大而减小.当考虑相变区域自然对流时,总的相变时间显著减少,和单纯导热相比,完全相变时间缩短了近16%.在导热和自然对流的基础上加上辐射传热后可以看出,辐射换热强化了球体内的传热过程,加快了相变材料的熔化速度,强化了自然对流的作用.     

可用于低中温热能储存的四元硝酸盐/埃洛石/石墨定型复合材料的制备与研究北大核心CSCD

本工作报道了一种通过冷压-热烧结法制备的具备低熔点、宽温域的复合定型相变材料,其中相变基体材料为硝酸钠、亚硝酸钠、硝酸钾和硝酸钙的共晶硝酸盐,结构支撑材料为埃洛石纳米管,导热增强材料为石墨。利用差示扫描量热仪、激光导热仪、扫描电子显微镜、X射线衍射仪和傅里叶红外光谱仪等测试手段对复合相变材料的储热性能和物理化学性能进行实验研究,结果表明:复合材料的相变温度和分解温度分别为91.3℃和627.5℃,可使用温度区间为536.2℃,优于目前文献已有报道数据。在温度为25~625℃内,其储热密度达到630.15 kJ/kg;添加10%的石墨后复合材料的热导率从0.58 W/(m·K)提高到了1.18 W/(m·K);由于埃洛石纳米管具有中空管状结构,经高温烧结后四元硝酸盐能够吸附在埃洛石纳米管中,能有效解决熔盐材料的腐蚀、泄漏以及热分解问题;埃洛石纳米管和石墨的加入没有与熔盐材料发生化学反应,证明了复合材料具备良好的化学稳定性。经100次循环后,复合相变材料的相变温度和相变潜热波动值小于3.5%,具有较好的循环稳定性。本研究丰富了熔融盐复合相变材料的配方体系和使用温度范围,为其在工业余热回收以及低中温储热领域的应用提供了基础。     

石墨/十四酸复合相变材料的热性能研究

利用超声解离的方法以膨胀石墨(EG)制得微米级片层石墨(MSGF),将MSGF添加到十四酸(MA)基体中,制备出MSGF质量分数分别为0.1%、0.5%、1.0%和2.0%的石墨/十四酸复合相变材料,采用实验的手段对该复合材料的热性能进行表征。结果表明:该复合材料的导热系数较纯MA有明显提高,随着MSGF质量分数的增加,固态体系的导热系数增加得越快,液态体系的增加则基本呈线性趋势;相变潜热随MSGF含量增加逐渐降低,但相变温度变化不大,熔化时的相变温度略高于凝固时的温度;储(放)热时间与纯MA相比明显减少。     

Heat transfer behaviour of thermal energy storage components using composite phase change materials

对基于复合相变材料储热单元的储热性能进行了研究。建立了复合材料和储热单元体内部的二维传热模型,考察了复合材料物性和结构尺寸及传热流体操作条件（流体流速）对单元体储热性能的影响,对比了两种不同结构单元体的储热性能,并搭建实验平台进行了实验对比研究。对比结果表明,模型结果与实验结果趋于一致,验证了模型的准确性。复合材料物性和结构尺寸及传热流体操作条件对单元体储热性能有较大的影响。相比较单管储热单元体,同心管储热单元体有着更优的储热特性,在相同的操作条件下,同心管储热单元体的储热、放热时间较单管储热单元体分别减少10%和15%。     

基于复合相变材料储热单元的储热特性

对基于复合相变材料储热单元的储热性能进行了研究。建立了复合材料和储热单元体内部的二维传热模型,考察了复合材料物性和结构尺寸及传热流体操作条件(流体流速)对单元体储热性能的影响,对比了两种不同结构单元体的储热性能,并搭建实验平台进行了实验对比研究。对比结果表明,模型结果与实验结果趋于一致,验证了模型的准确性。复合材料物性和结构尺寸及传热流体操作条件对单元体储热性能有较大的影响。相比较单管储热单元体,同心管储热单元体有着更优的储热特性,在相同的操作条件下,同心管储热单元体的储热、放热时间较单管储热单元体分别减少10%和15%。     

Paraffin based composite phase change materials for thermal energy storage: Thermal conductivity enhancement

为提高石蜡作为固-液相变储热材料的导热性能,在石蜡(PW)中掺加高导热系数的碳纳米管(CNTs),制备了碳纳米管-石蜡复合相变材料(PW-CNTs).为进一步增强PW-CNTs的传热性能,通过内置金属网结构,利用金属网的高导热性,加快PW-CNTs作为相变材料的充放热速率.测试了PW-CNTs的熔点和相变潜热,导热系数以及置入金属网前后的充放热时间.结果显示,PW-CNTs的导热系数较石蜡得到显著提高,其中掺加10%(质量分数)CNTs的复合材料的固态,液态导热系数平均分别提高31.4%,40.2%.置入金属网结构后,PW-CNTs的充放热时间至少分别缩短了40.3%和30.2%.此外,碳纳米管在石蜡中易发生团聚沉积,针对这一特点,对PW-CNTs进行了多次热循环,研究了热循环对PW-CNTs导热系数的影响.     

基于石墨烯气凝胶的定形相变材料储热性能研究

使用石墨烯气凝胶(graphene aerogel,GA)为导热骨架,十六醇作为相变材料,制备出一种用以储热的定形相变材料。利用FITR、XRD、SEM、激光闪光法和DSC等手段对样品的微观形貌、化学结构以关键热物性进行了表征,同时也测试了样品实际吸/放热的速率。结果表明,GA的多孔结构可以有效防止相变材料的泄露。同时,高导热的石墨烯在相变材料中建立起额外的导热通路,使得样品的导热系数提高了20%。重复吸放热50次后发现,样品的融化/凝固焓并没有因为GA的加入明显下降,分别为229.2和229.5kJ/kg。吸/放热温度曲线表明,在以导热为主的传热过程中,拥有更高导热系数的定形相变材料比纯十六醇具有更快的融化/凝固速率。而在自然对流为主的传热过程中,由于GA较强的毛细作用,十六醇的流动性被削弱,定形相变材料的融化/凝固速率低于纯十六醇。     

基于圆柱形单元的储热装置放热实验研究

蓄热水箱作为太阳能供暖系统的重要核心设备,其性能直接影响着储能系统的整体运行效率。设计一种基于圆柱形相变单元的相变储热装置,并搭建相变蓄热水箱性能测试平台,通过单一控制变量法得到储热装置放热过程的温度变化曲线。研究表明：对于空间一定的储热装置,在等质量相变材料（PCM）时,相变单元的直径对装置放热速率的影响较大;相变单元之间的间距对装置放热速率的影响较小;当增大换热流体（HTF）的入口流量及降低HTF入口温度时,能大大减少储热装置的放热时间,提高储热装置的整体性能。     

基于梯度孔隙率金属泡沫的复合相变单元储热性能数值模拟北大核心CSCD

向相变材料中添加金属泡沫可以解决相变材料低导热率引起的换热效果较差等问题,提高系统的整体蓄热效率。然而,复合相变材料的传热性能受金属泡沫孔隙率分布的影响较显著,为进一步提高相变储能单元的传热性能,本工作基于低孔隙率金属泡沫-相变材料(PCM)复合储能系统,建立了一种新的梯度孔隙率金属泡沫结构,通过数值模拟方法,对蓄热单元熔化过程中的熔化率、储能速率、储能总量进行分析,系统研究了孔隙率沿加热方向负梯度分布、正梯度分布对复合相变材料熔化速度和储热性能的影响。研究结果表明,负梯度孔隙率结构可以进一步提高储能系统的储热效率,其中,孔隙率梯度为0.12(案例S-6)时增强效果最显著。在熔化周期的不同阶段,负梯度孔隙率对复合材料的传热均有不同程度增强,对于S-6,在1000 s、2000 s、2600 s时,熔化率相较于均匀孔隙率结构分别增加了0.67%、2.31%、9.90%;随着孔隙率梯度的增加,相变材料的热性能提高越显著,与均匀孔隙结构相比,改进的负梯度孔隙率结构其完全熔化时间最高可缩短7.32%,储热速率可提高8.02%。对于正梯度孔隙率结构,其对熔化速度没有显著影响,但是储热总量可提高0.49%。     

高温复合相变材料储热电暖器的储热性能CSCD

本文研究了基于高温复合相变材料的相变储热电暖器,对其储热性能、内部流场和温度分布及温度调控机制进行了实验和模拟研究,并与镁砖显热电暖器的储热性能进行对比。结果表明这类相变储热电暖器的储热平均温度高、平均温差小、出风口温度高,整体性能要优于镁砖显热电暖器。相同体积下两种电暖器储热量相当,但相变储热电暖器的重量可减轻1.6倍;在相同储热时间和储热温度下,同等重量的相变储热电暖器较镁砖电暖器可多储热68%。结果也展示了这类储热电暖器温度控制测点选择的重要性,当选取距离加热单元10 mm处的测点作为温度调控点时,电暖器内的平均温度和储热砖体的最高温度均能满足安全要求,而且加热单元电源在谷电8 h储热过程中只需启停两次。     

季戊四醇与三羟甲基乙烷相变材料蓄热性能研究

对一类可用于太阳能中温蓄热的有机相变材料性能进行实验分析。相变蓄热材料具有储热密度大、温度波动小等优点,但也存在导热系数低、过冷度较大的问题,对相变材料进行复合,能有效改善其相变特性与导热性能。利用高温融化-混合的方法制备季戊四醇(PE)与三羟甲基乙烷(PG)的混合材料,使用DSC仪器分析相变温度与相变潜热,同时研究不同形核剂对混合材料的相变温度、过冷度的影响。利用压制成型—融化吸附—冷却的方法制备膨胀石墨与PE、PG的复合相变材料,用激光导热系数测试仪测试复合相变材料的导热性能。结果表明,PE与PG混合相变材料的相变温度区间基本在25℃以上,过冷度约15℃,膨胀石墨作为形核剂,使过冷度有一定减小。增加复合相变材料中膨胀石墨的含量能提高材料各个方向的导热系数。     

Simulation modeling and analysis of a high temperature phase change heat storage and exchange device

相变储热因单位体积储热量大,储热和放热过程温度基本恒定等优点而成为目前研究的热点。相变过程中涉及固液两相间融化和凝固的传热问题,其储放热过程是一个复杂的非稳态相变过程。本文对高温相变储热换热装置进行换热特性研究,通过研究储热单元的换热特性,基于FLUENT软件,结合装置的设计参数和相变复合材料的物性参数,对相变储热系统储/放热过程中内部的温度分布、传热速率和储放热效率进行了数学建模及模拟分析,重点研究了不同传热流体速度对单元储/放热性能的影响规律。根据仿真结果,在相变储热装置的设计中,可选择合适的空气流速,以实现不同的散热功率及储放热时间,满足不同用户的用热需求。物理实验表明仿真结果偏差较小,可为高温相变储换热装置设计、优化等工作提供依据。     

良导热、形状保持相变蓄热材料的制备及性能

将石蜡与一热塑弹性体SBS复合制备了在石蜡熔融状态下仍能保持形状稳定的复合相变蓄热材料,复合材料保持了石蜡的相变性,相变潜热可高达纯石蜡潜热的80%,在复合相变材料中加入膨胀石墨后,热传导性有了显著提高,其放热时间比纯石蜡缩短了61%。     

加热方向对方腔内相变石蜡储热性能影响研究

为探究方腔内相变石蜡的储热性能,基于等效热容法和Boussinesq假设,建立相变石蜡融化储热计算模型,并针对加热方向及约束形式等因素对相变石蜡的储热性能的影响进行研究,并开展相变石蜡融化试验,验证计算模型的正确性。结果表明：相变石蜡融化储热过程是由热传导和自然对流传热综合决定的,其中自然对流传热在相变石蜡融化储热过程中起着极为显著的促进作用;不同加热方向下,相变石蜡表现出截然不同的融化储热效率,其中顶、底、侧边单独加热下的自然对流传热效应依次使储热效率提升了0.01,27.9和13.1倍,即底部热源的储热效率最高;在四面加热下,固相因无约束而下沉至底部,并抑制底部热壁面的自然对流传热效应,此时顶、底、侧热壁面的储热贡献率分别为17.3%,37.3%和22.7%;当固相运动被预埋热电偶等因素限制时,将形成钟型融化前缘,该形态包含了各热壁面单独加热下的融化储热特征,此时顶、底、侧热壁面的储热贡献率分别为19.2%,29.8%和25.5%。