相变储能过程传热强化技术研究进展

相变储能是一种基于材料相变过程吸/放热而实现能量储存的技术,已广泛应用在工业企业能量回收领域。本文针对目前相变材料储/释能过程中热导率低引起能量传递慢的问题,从优化储能结构和添加导热填料两方面综述了相变材料储能过程强化传热技术。优化储能结构方面,分析了开式结构和闭式结构对相变传热过程的影响;添加导热填料方面,讨论了金属翅片、导热粒子、导热纤维和多孔金属对相变材料储能传热过程的影响。分析认为,管壳结构的热损失小,传热效果好;多孔金属作为导热填料增强导热效果更好,并提出复合强化传热会成为今后相变储能领域研究的重点。     

石蜡/LDPE/OMMT/石墨复合相变储能材料的制备及性能

以石蜡为相变材料,低密度聚乙烯(LDPE)为支撑材料,有机蒙脱土(OMMT)为载体材料,石墨为填料,采用加热共熔法制备石蜡/LDPE/OMMT/石墨复合相变储能材料。采用扫描显微镜(SEM)、红外光谱仪(FTIR)、热重分析仪(TGA)、差示扫描量热仪(DSC)、广角X射线衍射仪(WAXD)、导热系数测定仪等对复合相变材料进行结构表征与性能测试。结果表明:当石蜡质量分数为50%,OMMT质量分数为15%,石墨质量分数为4%时,石蜡包覆良好,相变温度为57.45℃,相变潜热为92.95 J/g。该复合相变材料结构稳定、密封性能优异、热稳定性好和导热率高,应用前景广阔。     

固-液相变传热强化过程研究进展

相变热控技术是从20世纪60年代航天热控技术演变而来,通过相变将热量储存或释放从而达到控制温度的目的。但是由于部分相变材料的导热系数低,使系统的储能和释能时间增加,不利于有效控制系统的温度。这种系统只适用于功率不高且功率周期性变化的场所,针对这个问题,国内外学者进行了大量研究,文章对近几年国内外强化相变传热的大量研究进行了综述。介绍了三种主要的强化传热方法,分别是泡沫金属、金属固体和金属翅片、膨胀石墨。并探讨了强化相变传热中存在的问题。     

相变储热技术的研究现状及应用

相变储热具有储能密度高和储热期间温度变化小等优点成为目前研究的热点。简述了相变材料的类型、性能特点以及选取要求。针对相变材料低导热系数导致的储热系统蓄/放热速率较慢的问题,从提高导热系数、拓展传热面积、提高传热均匀性、系统热力学分析和添加热管五个方面对相变材料强化传热方法进行综述,可为设计者在PCM选择以及匹配强化传热方法时提供参考。最后,回顾了相变储热技术在不同领域的应用。     

膨胀石墨、石墨烯改善无机盐相变材料热物性能

无机盐中、高温相变储能技术对于能源的开发和合理利用具有重要的意义,在太阳能热发电、工业热利用及余热回收方面有着显著优点。采用水溶液法成功制备了性能优异的NaNO3-LiNO3/膨胀石墨、NaNO3-LiNO3/石墨烯复合相变储能材料。利用DSC,MDSC研究了膨胀石墨、石墨烯的添加对NaNO3-LiNO3相变热、峰值温度、导热系数等热物性的影响。结果表明,膨胀石墨、石墨烯的添加使得混合盐的相变热均略有减少,但相变峰值温度分别降低了1.30℃和2.16℃,导热系数分别提高了37.6%和268.8%。     

套管式相变储能单元的强化换热

利用数值模拟方法研究了四种相变储能单元的放热性能。储能单元包括：光管中填充石蜡、翅片管中填充石蜡、光管中填充石蜡/膨胀石墨复合相变材料、翅片管中填充石蜡/膨胀石墨复合相变材料。结果表明添加5%（质量分数）膨胀石墨的强化效果与设计翅片的强化效果相当,而强化效果最好的是同时采用上述两种强化换热措施。换热流体流量越大,强化换热措施对储能单元的放热性能影响越大。在换热流体流量为0.02 m·s^-1时,第四种储能单元的放热时间比第一种减少50%,同时有效温区内的温度最多可提高5 K。储能单元进口水温与相变储能材料熔点间温差越大,强化换热的作用越明显。强化换热的措施在换热流体流量大及换热温差大的储能单元中作用显著。     

增强相变材料传热性能的研究进展

综述了相变材料(PCM)通过金属(铜、镍、铝)、碳基(碳、石墨和膨胀石墨)及纳米颗粒多孔材料/泡沫来增强传热性能的研究概况。总结了孔隙度和孔隙密度对传热、导热系数、比热、潜热和充放电时间的影响。通过多孔材料/泡沫材料改性PCM可以有效地使传热/导热系数提高3～500倍。最后,对相变材料传热技术的发展做出展望。     

耦合相变储热的金属氢化物反应器吸氢过程模拟

基于金属氢化物储氢反应,建立了相变材料蓄热的固体储氢反应器模型,模拟研究了吸氢压力等操作参数及相变材料的相变温度、固(液)态导热系数、相变潜热等物性参数对固体储氢反应器工作过程的影响. 结果表明,相变材料的固态导热系数和相变潜热对固体储氢反应器性能的影响较小,相变温度和液态导热系数对反应器性能影响较大. 相变温度越低,液态导热系数越大,储氢反应器性能越好. 在使用最优的相变材料储能时,提高充入氢气的压力可加快反应速率,强化相变材料的传热,有助于进一步优化反应器的储氢性能.     

碳纳米管/石蜡复合相变储能材料的导热性能研究

以多壁碳纳米管为填料,采用两步法制备了不同质量分数(0.1%~1.0%)的CNTs/石蜡复合相变材料。采用HotDisk热分析仪测试了CNTs/石蜡复合相变材料在不同纳米颗粒质量分数、温度和粒径下的导热系数。研究表明,CNTs/石蜡复合相变材料的固、液态导热系数随CNTs颗粒质量分数的增加而大幅度提高,在25℃时,质量分数为0.5%的复合相变材料的导热系数提高了13.2%,体现了良好的强化导热效果。复合相变材料的导热系数对温度的依赖性不强,但在55℃时,复合相变材料的导热系数在固-液相变过程时出现了较大程度的增长。此外,复合相变材料的导热系数随CNTs颗粒粒径的增加而降低,25℃时,质量分数为0.1%的复合相变材料中,添加10 nm的碳纳米管后其导热系数提高了7.8%,添加100 nm的碳纳米管后其导热系数提高了2.2%。     

多孔碳海绵封装Na2SO4·10H2O/Na2HPO4·12H2O复合相变材料及其热性能

碳海绵具有低密度、大孔体积、高导热系数等优点,可作为相变材料的良好载体。采用脱脂棉及MgO为原料,合成了具有一定石墨化特性、孔隙率达到96.3%的碳海绵为载体,以Na2SO4·10H2O/Na2HPO4·12H2O为相变介质,制备出多孔碳海绵封装的复合相变材料。结果表明：在700、800℃和900℃制得的碳海绵对相变材料的吸附量分别达到了自身质量的60、75倍和102倍。同时探讨了在不同温度下制得碳海绵封装的材料在5～60℃之间固液相变循环性能,经5 000次循环后,该相变材料的潜热仍在200 J·g–1以上,下降值均在13%以内,导热系数提升率均大于50%。该多孔碳海绵封装的复合相变材料在太阳能储能等领域具有很好的应用前景。     

纳米粒子掺杂太阳盐复合材料热物性研究

在聚光式太阳能系统中,熔盐被视为良好的储热材料,具有成本低、使用安全、低饱和蒸汽压等特点。合理改善其热物性可实现太阳能高效利用,掺杂纳米颗粒可提高熔盐的储热及传热性能。在之前工作中,采用高温静态熔融法将纳米氧化铝（Nano alumina,NA2）掺杂于太阳盐（SS,质量分数为60%的硝酸钠与质量分数为40%的硝酸钾的混合物）中,获得了具有较高比热容的纳米流体（NA2-SS,N2S）。在此基础上,采用相同方法将纳米石墨粉（GP）和NA2同时掺杂于SS中（NA2-GP-SS,N2GS）,利用差式扫描量热法和瞬态平面热源法对体系比热和导热进行测试。结果表明,优化样品为N2GS-4,比热容与原样SS相比提升21.79%,导热提升20.69%,在高温状态下具有较好的热稳定性。N2GS-4作为一种硝酸盐基纳米复合蓄热材料在热能存储系统中具有广阔的应用前景。     

碳酸盐复合蓄热材料的制备及热物性研究

以二元碳酸盐（Li₂CO₃-K₂CO₃,BC,62：38,摩尔比）和三元碳酸盐（K₂CO₃-Li₂CO₃-Na₂CO₃,TC,1：2：1,摩尔比）为相变材料,以氧化镁为基体材料,通过混合烧结法制备陶瓷基复合蓄热材料。二元碳酸盐复合材料（BCC）和三元碳酸盐复合材料（TCC）的熔点与相应混合碳酸盐的熔点相近,分别为465.1℃和386.4℃,并在其最高使用温度（800℃）范围内维持较高的比热容;且复合材料的潜热值均大于150.0 J/g。基于XRD和SEM的表征分析,两种复合蓄热材料具有较好的化学稳定性,且基体材料能很好地混合支撑相变材料。两种复合材料分别进行50次热循环,其热物性参数没有发生明显变化,具有较好的热循环稳定性。     

相变储热的传热强化技术研究进展

相变储热技术具有储热密度大、相变温度稳定以及过程容易控制等优点,具有广泛应用前景。相变储热技术在应用中需完成热能的储存与释放过程,其传热特性直接决定应用效果。储热技术的传热强化主要包括三个方面：一是相变材料本身的导热强化;二是潜热型功能热流体的对流传热强化;三是储热器的传热强化。本文综述了国内外在相变储热技术的传热强化研究方面的进展,主要介绍了膨胀石墨、泡沫金属等复合相变材料的导热强化,相变微胶囊及相变微、纳米乳液潜热型功能热流体传热强化以及管壳式储热器、板式储热器、螺旋盘管储热器等储热器的传热强化。文章指出,膨胀石墨基复合相变材料具有高热导率、大储热密度以及良好的定型特性,且价格低廉,极具应用前景。纳米乳液功能热流体具有表观比热容大、流阻较小等优势,但存在稳定性较差、过冷度大等问题。板式储热器具有较大的传热面积、较高的传热功率,适宜应用于相变材料传热系统。但应用背景不同,针对不同场景提供不同储热器的选型及指导值得作进一步的研究。     

相变材料复合八水氢氧化钡的制备及热性能

纯八水氢氧化钡相变蓄热材料在使用过程中存在凝固过冷、相分离及体积变化等问题,因此需要对其进行相应的改性研究。本文根据相变蓄热材料成核机理,以八水氢氧化钡为相变蓄热材料基材,一水氢氧化钡及去离子水作为复合添加剂,制备了混合比例为95.1% Ba（OH）₂·8H₂O+2% Ba（OH）2·H₂O+2.9% H₂O的复合相变蓄热材料。对该复合相变蓄热材料进行了热性能测试,结果表明：复合相变蓄热材料的平均热导率为1.2W/（m·K）、相变潜热值为263.7kJ/kg;在复合相变蓄热材料融化过程中进行升温-压力实验,测试数据显示容器内部的相对压力不超过0.09MPa;利用恒温金属浴仪器对该复合相变蓄热材料进行300次融化/凝固循环实验,测试数据显示复合相变蓄热材料过冷度增加量0.7℃、相变潜热值降低0.796%。改性后的复合相变蓄热材料相变温度适宜、热性能稳定,可推广应用于中低温相变储热系统。     

Cu含量对高温相变材料Al-Cu合金热特性的影响

高温相变材料Al-Cu合金是蓄热性能最好的太阳能储存材料之一,而Cu含量对其热特性影响的相关研究未见报道。采用差示扫描量热法（DSC）和激光脉冲法（LFA）研究了Cu含量在7.4%~51.7%范围内的Al-Cu合金相变材料的相变温度、相变潜热、比热容、热扩散系数和热导率,并结合其金相组织对热力学性能变化规律的内在机理进行了分析。结果显示,当Cu含量在7.4%~51.7%范围内时,Al-Cu合金的相变温度在524.4~645.9℃范围内;随Cu含量的增加,Al-Cu合金的质量潜热呈递减趋势,而体积潜热却呈上升趋势。Al-7.4% Cu在熔化和凝固过程具有最大的质量潜热,分别为339.6、343.5 kJ·kg^-1。Al-51.7% Cu在熔化和凝固过程具有最大的体积潜热,分别为1179、1143 MJ·m^-3。当Cu含量在7.4%~51.7%范围内时,Al-Cu合金的比热容随Cu含量的增加呈递减趋势;当温度在25~500℃范围内时,Al-Cu合金的比热容随温度升高呈递增趋势。Al-7.4% Cu的比热容在25℃时为0.85 J·g^-1·K^-1,在500℃时达到最高值1.08 J·g^-1·K^-1。此外,Al-Cu合金的热导率随Cu含量的升高而降低,但即使Cu含量达到51.7%,其常温下的热导率仍然高达104 W·m^-1·K^-1。综合研究结果表明,Al-Cu合金作为高温相变材料具有在太阳能蓄热领域中应用的巨大潜力。     

新型六水氯化镁-六水硝酸镁/石墨相氮化碳复合相变材料的制备及其热性能研究

我国青海盐湖镁资源的利用率低,带来严重的资源浪费和环境污染,若将镁盐开发为相变储热材料,则可扩大其应用领域,从而促进镁盐资源的充分利用。针对中低温保温隔热的应用需求,在前期工作基础上,选用MgCl₂·6H₂O-Mg（NO₃）₂·6H₂O（MCH-MNH）质量比为41∶59的共晶盐作为相变材料,为降低其过冷度并提高隔热性能,选用多孔介质石墨相氮化碳（g-C₃N₄,CN）作为支撑材料,制备低热导率的MCH-MNH/CN复合相变材料。先将尿素在550℃高温下煅烧得到多孔的CN,再采用吸附法制备出MCH-MNH/CN复合相变材料,并对复合相变材料的形貌、结构与热性能进行了表征和测量。结果表明,共晶盐相变材料均匀地吸附在CN的微孔结构内,其与CN的复合是一个物理过程,没有发生化学反应;复合相变材料的相变温度为55.2℃,相变焓值为92.7 J/g,几乎没有过冷度,其热导率为0.3 W/（m·K）,仅是共晶盐MCH-MNH的一半,提高了隔热性能。此外,复合相变材料还具有良好的热稳定性,在中低温保温隔热领域具有应用前景。     

空气能蓄冷用相变材料研制及热物性表征

针对自然冷源在建筑空气调节中的应用,以癸酸-月桂酸（CA-LA）低共熔混酸为相变材料,纳米Fe₂O₃为添加剂,膨胀石墨（EG）为基质材料,采用化学分散、超声振荡和物理吸附的方法制备CA-LAFe₂O₃/EG复合相变材料,并对材料进行性能表征。结果表明纳米Fe₂O₃质量分数为0.8%时与CA-LA混合均匀性较好,具有成核作用,消除了CA-LA的过冷度;EG质量分数为5.88%时,对CA-LAFe₂O₃（质量分数0.8%）具有较好的包覆效果,傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示复合材料内部未发生化学反应,各物质之间属于物理吸附;纳米Fe₂O₃粒子和EG可加快材料相变过程,较CA-LA、CA-LA Fe₂O₃（质量分数0.8%）的冷却与结晶过程总时间缩短了39.4%,CA-LA Fe₂O₃（质量分数0.8%）/EG（质量分数5.88%）对应时间缩短78.2%,有利于空气能蓄冷过程的顺利进行;CA-LA Fe₂O₃（质量分数0.8%）/EG（质量分数5.88%）的相变焓为124.70kJ/kg,融化初始温度为18.66℃,结晶起始温度为19.87℃,较CA-LA的焓降低3.4%,融化与结晶过程温度区间均增大,材料的导热性能增强。定型复合相变材料热响应与受压方向有关,受压面切向方向温度响应速度远大于受压面法向方向,相变储能换热器设计时应考虑材料导热的各向异性特点。     

高性能定形复合相变储能材料的制备及热性能

对现有定形复合相变材料的制备方法进行改进,采用“熔融吸附-模压成型”的方法,以硬脂酸(stearic acid,SA)为相变材料,膨胀石墨(expanded graphite,EG)为多孔基体,制备了16种不同参数的样品,并对其进行了微观形貌表征、热物性测试、热稳定性研究及热性能分析。相关研究表明:SEM微观形貌显示样品内部出现致密的石墨片层结构,SA均匀分布在石墨片层中,且压块密度越大,片层结构形态越规则;DSC测试结果显示样品几乎没有过冷度,EG的加入与压块处理对SA本身的相变潜热和相变温度几乎没有影响;Hot Disk测试结果显示EG的加入显著提高了样品的轴向和径向热导率,随着EG含量的增加,径向热导率高达23.77 W·m^-1·K^-1,发现两个方向上热导率的差异随压块密度的增加而增大,最大相差5.4倍;储/放热循环实验发现压块密度越大、EG含量越低的样品,SA越容易发生泄漏;通过成型密度及质量配比的优化可实现对复合材料的热稳定性调控,发现EG质量分数为25%、密度为950 kg·m^-3的样品具有较好的综合性能。与传统定形复合相变材料的成型方法相比,该方法可进一步提高复合相变材料的综合热性能,与纯相变材料相比其热导率可提高130倍以上,且具有简单易操作的特点。     

石膏基相变储能构件的数值模拟分析

以石蜡为相变储能材料,石膏为基础材料,制备不同配比的石膏基-石蜡相变储能构件并利用现有热工测试方法进行了热工性能测试。将测试数据代入经验证过的相变模型模拟了北京地区被动式建筑中相变构件的应用效果,并对结果进行了优化处理。结果表明：随着石蜡含量的增大,相变构件的热导率随之减小;制备的四种配比中PCM质量分数为33%的相变构件在北京地区被动式建筑中应用效果最好,在过渡季中较传统建筑可节能10%;增大构件的热导率与提高墙体表面对流传热系数均可提高室内舒适度与节能效果,且对流传热系数的影响程度更大。     

Cu含量对Al-Cu-Si合金相变储热性能的影响

Al-Cu-Si基相变材料具有成本低、相变潜热高、抗氧化性能高等优势，是最具潜力的太阳能储存材料之一。而Cu含量对其储热性能特别是体积潜热有重要影响，但相关研究未见报道。通过差示扫描量热仪和激光热导分析仪研究了Al-Cu-Si合金的相变温度、质量潜热和体积潜热随Cu含量变化的关系，以及比热容、热扩散率和热导率等随温度变化的关系。研究结果表明，在Cu含量35%～55%时，Al-Cu-Si合金相变温度为512.5～604.2℃，质量潜热为354.4～458.1 J?g^-1，体积潜热为1524.1～1763.8 J?cm^-3。质量潜热和体积潜热均随着Cu含量的增加呈现出“双峰型”的变化趋势，Cu含量42%时质量潜热最大，为458.1 J?g^-1；Cu含量48%时体积潜热最大，为1763.8 J?cm^-3。Al-Cu-Si合金的热导率随着Cu含量的增加而降低，且在500℃时Al-Cu-Si合金的热导率为91.4~137.5 W?m^-1?K^-1。综合研究表明，Al-Cu-Si合金在太阳能储热领域具有很高的应用价值。