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。     

氧化石墨烯/石蜡复合相变乳液的制备及对流传热特性

为提高石蜡相变乳液的传热性能,通过添加氧化石墨烯(GO),制备了GO/石蜡复合相变乳液并对其相关性能进行了表征。搭建了流动阻力、对流换热试验台,对比研究了石蜡相变乳液及GO/石蜡复合相变乳液的流动阻力特性和对流换热特性,试验结果表明,由于GO的亲水性,复合相变乳液都表现出较好的稳定性。当GO的质量分数为0.01%、0.02%、0.03%时,复合相变乳液的热导率分别增加了20.01%、30.50%、35.18%。添加GO使乳液的流动阻力略有增加,直管段最大增加了6.70%,90°弯管处最大增加了13.20%;对流传热系数随着GO浓度的增加而增大,当GO浓度为0.03%时,对流传热系数最大提高了43.90%。     

氧化石墨烯/石蜡复合相变乳液的制备及对流传热特性

为提高石蜡相变乳液的传热性能，通过添加氧化石墨烯(GO)，制备了GO/石蜡复合相变乳液并对其相关性能进行了表征。搭建了流动阻力、对流换热试验台，对比研究了石蜡相变乳液及GO/石蜡复合相变乳液的流动阻力特性和对流换热特性，试验结果表明，由于GO的亲水性，复合相变乳液都表现出较好的稳定性。当GO的质量分数为0.01％、0.02％、0.03％时，复合相变乳液的热导率分别增加了20.01％、30.50％、35.18％。添加GO使乳液的流动阻力略有增加，直管段最大增加了6.70%，90°弯管处最大增加了13.20%；对流传热系数随着GO浓度的增加而增大，当GO浓度为0.03％时，对流传热系数最大提高了43.90％。     

原位聚合树脂提高膨胀石墨/石蜡热导率的研究

为了提高石蜡-膨胀石墨相变储能材料的热导率,以膨胀石墨压缩块(CEG)为基体,分别以低含量酚醛树脂浸渍和原位合成的方式制备高导热骨架,合成出膨胀石墨-树脂-石蜡相变储能材料。结果表明:原位聚合比浸渍可以获得更高热导率的膨胀石墨骨架,热导率由纯膨胀石墨压缩块的65.6 W·m~(-1)·K~(-1)达到68.9 W·m~(-1)·K~(-1)(105%),由其制备的储能材料热导率达到了膨胀石墨压缩块的106%(69.5 W·m~(-1)·K~(-1)),使储能材料热导率高于石蜡和膨胀石墨骨架,说明原位聚合可以强化膨胀石墨导热网络从而提高其热导率。     

石蜡与石蜡/膨胀石墨熔化性能的实验研究

为改善相变储能过程中石蜡(PA)的熔化性能，向PA中添加少量膨胀石墨(EG)制备了4种配比的石蜡/膨胀石墨复合相变材料(PA-EG)。通过热物性分析筛选出合适配比的PA-EG，并对其和PA在水平管壳式相变储能单元中的熔化过程进行了实验研究。根据相变材料的温度场变化以及加权法计算得到的熔化分数变化，对比分析了添加EG前后PA的熔化性能，并探究了加热温度对相变材料熔化性能的影响。结果表明，PA-EG3的热导率比PA高了7倍，且两者的相变温度和潜热相差不大。PA-EG3熔化过程中的自然对流效应弱于PA，但是较高的热导率能够显著改善相变储能单元中下部的熔化，使得其整体熔化速度快于PA。当加热温度为80℃时，PA-EG3的熔化过程比PA缩短了78.16%。此外，降低加热温度会使PA和PA-EG3的完全熔化时间都显著增加，但相同条件下PA-EG3的增加幅度更小。     

石蜡、SEBS和聚苯乙烯共混的复合定形相变材料的制备和热分析

将聚苯乙烯、热塑性弹性体SEBS和石蜡三组分通过熔融共混的方法制备了定形相变储能材料,并且用DSC、TG和SEM等对材料进行了表征,讨论了不同含量的石蜡和SEBS对定形相变储能材料相容性和热性能的影响.实验结果表明,石蜡的质量分数可以提高到70%,三组分的相容性比较好,相变材料的潜热为121.07 J/g,熔点为53.22℃,SEBS能够有效地改善石蜡和聚苯乙烯的相容性,同时通过加入少量的纳米石墨,能够明显提高定形相变储能材料的热导率.     

石蜡乳状液高温潜热输送材料的传热特性

石蜡乳状液高温潜热输送材料是一种在80～90℃之间存在相变的流体。由于相变潜热的存在,石蜡乳状液在相变区间内的储热、载热密度远大于水,且集储热与潜热输送于一体,适用于余热利用、太阳能利用和集中供热等领域,具有广阔的应用前景。研究了定热流条件下石蜡乳状液在管内的强制对流换热特性。结果表明,与纯水相比,虽然石蜡乳状液的有效比热大,但其对流传热系数低,且浓度越高,对流传热系数越低。实验发现入口温度对石蜡乳状液对流传热系数的影响不大,但随着入口温度升高,对流传热系数有增大的趋势。最后获得了石蜡乳状液对流换热量纲1关系式。     

定形相变材料及其石膏基储能建筑材料的研究

以月桂酸-肉豆蔻酸-棕榈酸三元低共熔脂肪酸(LA-MA-PA)为相变芯材,硅藻土为担载材料,基于真空吸附法制备了不同质量比的LA-MA-PA/硅藻土定形相变材料并确定了最佳配比。采用SEM、FT-IR、DSC对该定形相变材料的微观形貌、结构和热性能进行表征分析。将其与建筑石膏结合制备石膏基储能建筑材料,并对其调温功能和相变过程中脂肪酸的渗漏情况进行评价。蓄放热试验表明,含15%定形相变材料的石膏基储能建筑材料的温度波动明显小于普通石膏建筑材料,两者温度最高点和最低点的差值为4.9℃。此外,对石膏基储能建筑材料进行热处理后并没有造成其中脂肪酸的明显渗漏情况。     

二维蒙脱石纳米片对石蜡的包覆封装及其储热调温性能EI北大核心CSCD

相变储能材料应用于建筑保温领域,以实现温度峰值荷载转移、降低建筑能耗的目的。制备了高度分散的二维蒙脱石纳米片,利用其孔(空)腔表面吸附作用包覆封装储能材料-石蜡形成了薄壳结构。研究了石蜡浓度和十六烷基三甲基溴化铵浓度等对蒙脱石纳米片及其包覆封装效果的影响规律。分析了相变储能复合材料的热存储性能。将相变储能复合材料应用到建筑保温板中,通过对相变储能保温板的力学性能和储热调温性能的测试,表明二维蒙脱石纳米片/石蜡复合相变材料能够在保持保温板力学性能的同时,有效提升其热阻,并能延迟峰值温度的出现,提升了室内居住环境的舒适性。这对新型建筑节能材料的研发和应用具有重要的理论和实践意义。     

石蜡复合相变材料的研究进展及其热学性质

石蜡作为相变储能材料具有不存在过冷及析出现象,性能稳定,无毒,无腐蚀,价格便宜等优点。石蜡复合相变储能材料弥补了石蜡作为相变储能材料的缺点,改进了在实际应用中相变材料的效果,并且扩大了石蜡相变储能材料应用的领域。主要介绍了国内外对石蜡复合相变储能材料的研讨及相关热学性质。     

石蜡/碳纳米管复合相变材料的性能研究

针对太阳能烟囱蓄热单元的应用需求,以石蜡为相变材料,向其中添加碳纳米管,通过两步法制备出碳纳米管质量分数分别为0.5%、1%、2%、3%、5%的复合相变材料,并对其热物性及循环稳定性进行了实验研究。结果显示,碳纳米管的添加可以有效提高相变材料的热导率和相变过程的传热速率,当添加的质量分数为5%时,其热导率达0.62 W/m2·K,比纯石蜡提高了1.21倍,蓄、放热速率分别比纯石蜡提高了44%、45%;碳纳米管的添加降低了相变材料的相变潜热,当添加的质量分数为5%时,其相变潜热为170 J/g,为纯石蜡的81%;石蜡与碳纳米管只是简单的物理复合,且制备的相变复合材料具有较好的循环稳定性。     

高孔密度下泡沫铜的填充率对石蜡融化传热机理的影响

基于石蜡和高孔密度的泡沫铜制备了复合相变蓄热材料,设计并搭建了一套可视化蓄热实验装置,分析了高孔密度下泡沫铜填充率对石蜡相变过程的强化传热机理,得到了复合相变蓄热材料的综合传热系数。实验结果表明,当泡沫铜填充率为0、0.43%、1.29%和2.15%时,复合相变材料的综合传热系数先减小后增大,分别为1.26W/(m·K)、1.18W/(m·K)、1.44W/(m·K)和1.88W/(m·K),因此随着泡沫铜填充率的增加,复合相变材料的融化时间先增长后缩短。此外,随着泡沫铜填充率从0.43%增至2.15%,复合相变材料融化时传热机制中导热占比从17.26%上升到86.01%,自然对流占比从82.74%下降到13.99%。     

橡胶在相变材料封装中的应用研究进展

相变材料主要用于建筑、热防护、纺织和储能等领域,节能环保。三元乙丙橡胶和硅橡胶用于石蜡和硬脂酸等有机相变材料的封装具有很好的效果,泄漏率较低,且随着相变材料含量的增大,复合相变材料的相变焓增大,相变温度变化不大,橡胶作为相变材料封装材料,具有十分广泛的应用前景。对导热性要求高的相变材料,可以在橡胶中添加导热填料进行改性,常用的导热填料有三氧化二铝、膨胀石墨、氮化物等,目前橡胶的导热改性技术已较为成熟。     

基于泡沫铜/石蜡的锂电池热管理系统性能

高效的热管理系统能极大提高电池使用寿命并保证电池安全运行。为提高能源利用效率,针对动力电池组散热问题设计了基于相变材料的被动式热管理系统。采用泡沫铜/石蜡构成复合相变材料以提高石蜡的导热性能,并对复合相变材料导热性能进了测试。通过改变孔隙率、加热功率及环境温度,对不同工况下基于复合相变材料的热管理系统性能进行了实验研究。实验结果表明,泡沫铜孔隙率分别为96%、95%以及93%的复合相变材料的热导率分别是纯石蜡的14.2倍、19.2倍和25.4倍。基于复合相变材料的热管理系统能显著降低热源温度,其冷却性能优于自然对流风冷热管理系统。当热源发热量及环境温度为定值,相同结构复合相变材料下,泡沫铜孔隙率越低,热管理系统性能越好。基于复合相变材料的热管理系统能显著减小由于加热功率和环境温度变化导致的温度波动,提高了热源温度稳定性。     

纳米复合相变蓄热材料的制备与特性

相变蓄热材料（phase change materials,PCMs）是相变蓄热技术研究的基础。针对普通相变蓄热材料热导率低的缺点,采用纳米技术改善石蜡的相变传热性能,从而提高其热导率及热扩散系数。通过纳米颗粒-石蜡复合材料熔化过程测试和纳米颗粒沉降过程观察,确定铜纳米颗粒和Hitenol BC-10分别作为实验用纳米颗粒和分散剂,在制备稳定的纳米铜颗粒-石蜡复合相变材料的基础上,对其热物性进行了实验研究。结果表明纳米铜颗粒的添加使得石蜡热导率增幅最大,实验测得固态纳米铜-石蜡热导率提高7.9%,液态提高3.8%,而固、液态热扩散系数则分别提高了20.6%和16%。     

应用于太阳能相变蓄热PC构件升温养护建筑的复合相变材料热物性

预制混凝土（PC）构件蒸汽养护工艺以消耗大量化石能源为代价。本研究结合本文作者课题组研制的复合相变材料热特性以及预制混凝土构件蒸汽养护工艺特点,基于被动式太阳能相变蓄热PC构件升温养护建筑一体化设计理念,将复合相变材料应用于升温养护建筑主朝阳墙体内表面,结合Energy Plus能耗模拟软件及试验研究的方法,开展了关于不同热物性复合相变材料对新型升温养护建筑热工性能影响的研究。研究结果表明：较GH-33复合相变材料,主朝阳墙体内表面采用GH-37复合相变材料,墙体内表面温度夜间平均提高3.4℃;PC构件上部表面温度夜间平均提高1.4℃;实验期间复合相变材料的蓄放热速率较前者平均提高62%。研究可为PC构件养护工艺中可再生能源利用、低碳环保生产,提供一种新的途径和方法参考。     

基于泡沫铜/石蜡的锂电池热管理系统性能

高效的热管理系统能极大提高电池使用寿命并保证电池安全运行。为提高能源利用效率,针对动力电池组散热问题设计了基于相变材料的被动式热管理系统。采用泡沫铜/石蜡构成复合相变材料以提高石蜡的导热性能,并对复合相变材料导热性能进了测试。通过改变孔隙率、加热功率及环境温度,对不同工况下基于复合相变材料的热管理系统性能进行了实验研究。实验结果表明,泡沫铜孔隙率分别为96%、95%以及93%的复合相变材料的热导率分别是纯石蜡的14.2倍、19.2倍和25.4倍。基于复合相变材料的热管理系统能显著降低热源温度,其冷却性能优于自然对流风冷热管理系统。当热源发热量及环境温度为定值,相同结构复合相变材料下,泡沫铜孔隙率越低,热管理系统性能越好。基于复合相变材料的热管理系统能显著减小由于加热功率和环境温度变化导致的温度波动,提高了热源温度稳定性。     

泡沫金属强化石蜡相变蓄热过程可视化实验

相变材料的低热导率是限制潜热蓄热广泛应用的重要原因。将相变材料石蜡真空条件下注入到泡沫金属铜内制备泡沫金属铜-石蜡复合相变材料,通过铜的高热导率及高孔隙材料的大面体比来强化相变换热过程。采用DSC示差扫描量热法对石蜡进行热物性测量获得准确的石蜡相变温度及相变潜热。以管壳式相变蓄热结构为对象,提取对称结构进行可视化设计,对比纯石蜡及泡沫金属铜-石蜡复合材料在相同运行条件下的相变过程,追踪二者熔化过程的相界面位置随时间的演化过程并布置热电偶准确测量材料内部的温度分布。结果显示加入泡沫金属后的复合材料的内部温差明显减小,温度分布均匀,蓄热热通量显著增大,有效缩短相变时间并缓解了自然对流造成的顶部过热和底部不熔化现象。     

纳米复合相变蓄热材料的制备与特性

相变蓄热材料(phase change materials,PCMs)是相变蓄热技术研究的基础。针对普通相变蓄热材料热导率低的缺点,采用纳米技术改善石蜡的相变传热性能,从而提高其热导率及热扩散系数。通过纳米颗粒-石蜡复合材料熔化过程测试和纳米颗粒沉降过程观察,确定铜纳米颗粒和Hitenol BC-10分别作为实验用纳米颗粒和分散剂,在制备稳定的纳米铜颗粒-石蜡复合相变材料的基础上,对其热物性进行了实验研究。结果表明纳米铜颗粒的添加使得石蜡热导率增幅最大,实验测得固态纳米铜-石蜡热导率提高7.9%,液态提高3.8%,而固、液态热扩散系数则分别提高了20.6%和16%。     

相变微胶囊悬浮液储能系统放冷特性实验研究

利用相变材料定温储能特性,搭建了以水为换热流体、相变微胶囊（MPCM）悬浮液为储能介质的潜热储能系统。采用放冷速率、相变完成率、单位体积放冷量和对流传热系数表征实验系统的放冷特性,通过该潜热储能系统与以纯水为工作介质的显热储能系统的对比,分析了循环水体积流量以及搅拌速率对系统放冷性能的影响。结果表明：MPCM主要在17~19℃范围内发生相变,当悬浮液温度到达20℃时,其相变完成率接近90%;增大循环水流量可以提高放冷速率,循环水体积流量为6 L·min^-1时,MPCM悬浮液的放冷速率在相变区间最高可达1.52 kW,相较于显热储能系统提升了70%;在0~200 r·min^-1的范围内,增大搅拌速率可增大MPCM悬浮液的单位体积放冷量和对流传热系数,搅拌速率为200 r·min^-1时,MPCM悬浮液的单位体积放冷量和对流传热系数分别为73.86 MJ·m^-3和2176 W·m^-2·K^-1,比显热储能系统分别高1.66倍和1.87倍。