石蜡-膨胀石墨复合相变材料热导率研究

在石蜡（PA）中复合添加膨胀石墨（EG）是提高石蜡基相变材料导热性能的一种常见方法,准确预测PA-EG复合相变材料的热导率对于其应用十分重要。通过对EG质量分数小于20%的PA-EG复合相变材料微观结构特征的分析,建立了基于EG纤维在PA中均匀分散的微观结构几何模型,数值模拟了完全均匀分散PA-EG单元体的相变过程,分析了EG质量分数及其粒径对PA-EG复合相变材料等效热导率的影响规律,并提出了可适用于不同制备方法的PA-EG复合相变材料热导率预测模型。模型预测结果与已报道EG质量分数小于20%的PA-EG复合相变材料实验结果能较好吻合,误差小于15.1%。     

癸酸-石蜡/膨胀石墨定形相变材料的制备及性能

通过物理吸附法将癸酸-石蜡（CA-PC）二元低共熔混合物与膨胀石墨（EG）复合形成癸酸-石蜡/膨胀石墨定形相变材料，实验结果显示，CA与PC、CA-PC与EG的最佳质量配比分别为8.1∶1.9和7∶1。利用扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶红外光谱仪（FTIR）分析了定形相变材料的微观形貌和结构特点，发现CA-PC/EG的FTIR曲线上同时存在二元低共熔混合物和膨胀石墨的特征吸收峰，表明二元低共熔混合物与膨胀石墨之间没有发生化学反应，二者依靠表面张力和毛细力作用在一起，并且CA-PC二元低共熔混合物依靠物理作用被有效包封于EG的孔隙中，经过1000次加速冷热循环后，基本没有液态二元复合相变材料泄漏。通过差示扫描量热仪（DSC）得到CA-PC/EG的熔化温度和凝固温度分别为27.04℃和22.26℃，熔化潜热和凝固潜热分别为144.4J/g和133.7J/g，且EG的高导热性促进了CA-PC的蓄放热速率。同时，根据热重分析（TG）与蓄放热实验结果发现其拥有优良的热可靠性和耐热性能。因此，该CA-PC/EG定形相变材料是一种良好的低温储能材料。     

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。     

石蜡基高热导率相变储能材料的制备

针对相变蓄能材料的相变点调节和热导率增强的问题,通过熔融混合法制备了一种低相变温度、高潜热的C14～C18石蜡基共熔相变材料,通过DSC和塔曼图对C14～C18混合物进行了分析,确定了共熔物的组成为84.4 wt%C14～15.6 wt%C18,熔点和相变焓分别为1.0℃和205 kJ/kg。基于C14～C18石蜡共熔物作为相变储能材料,以5种不同压缩密度的膨胀石墨作为吸附基质,制备了C14～C18/EG复合材料。通过SEM、FT-IR、XRD表征了微观结构和形貌,通过DSC和HOT-DISK热常数分析仪测试了储能性能和导热性能,并探讨了不同压缩密度的膨胀石墨与复合材料的相变焓以及热导率的关系。实验结果表明：在实验条件范围内,相变焓与压缩密度成正比,热导率与压缩密度成反比;在100次吸放热试验后,样品形貌和热性质未发生变化,复合材料具有良好的循环稳定性和热稳定性。复合相变储能材料在低温储存领域具有应用潜力。     

高导热膨胀石墨/棕榈酸定形复合相变材料的制备及储热性能研究

采用棕榈酸(palmitic acid, PA)作为相变材料,膨胀石墨(expanded graphite, EG)作为添加基质,通过"熔融共混-凝固定形"工艺制备了PA/EG定形复合相变材料以提高相变材料的综合性能。预测并制备了21种不同配比的定形复合相变材料,对其形貌结构和孔隙率进行了微观表征与理论分析,并在此基础上对样品进行了传热性能分析、热物性测试、热稳定性研究和储热性能分析。SEM形貌分析显示所使用工艺可使棕榈酸能较好地被吸附于膨胀石墨的孔隙结构并使之均匀分布;DSC测试结果表明定形复合相变材料[70%(质量) PA]的焓值为193.01 J/g,纯PA的焓值为275.35 J/g,对应于熔点分别为61.08℃和59.53℃。EG的添加,可有效提高相变材料的热导率。当样品密度为900 kg/m3,EG含量为30%(质量)时,定形复合相变材料的热导率为14.09 W/(m·K),相比于纯PA [0.162 W/(m·K)]提高约87倍;对制备的样品进行50次循环稳定性实验,EG含量为24%(质量)和30%(质量)的样品形态均未出现明显变化,表现出良好的充放热循环稳定性。     

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。     

PE-LD/石蜡复合相变储能材料的制备及性能研究

以固体石蜡、低密度聚乙烯(PE-LD)为原料,乙烯基三乙氧基硅烷改性的膨胀石墨/硅藻土为填料,过氧化二异丙苯(DCP)为交联剂,制备复合相变储能材料。研究了石蜡含量及改性后硅藻土/膨胀石墨用量对复合材料热稳定性及导热性的影响,探讨了DCP含量对复合相变材料微观结构、力学性能的影响。结果表明,当石蜡含量为60%(质量分数,下同)时,热稳定性良好,相变潜热和相变温度更合适;膨胀石墨及硅藻土的加入对复合相变材料热稳定性均有提升,且无机填料含量为4.6%时达到最大值,膨胀石墨对复合材料热稳定性改良效果强于硅藻土;膨胀石墨的加入对复合相变材料导热性能有所提升,当膨胀石墨含量为4.6%时,热导率为对比样的384.38%;DCP的加入使复合相变材料的力学性能有所增强,且含量在3%时综合性能良好。     

膨胀石墨/石蜡复合相变材料的导电及发热特性

采用混合搅拌方法制备膨胀石墨（EG）/石蜡复合相变材料,测试分析了EG含量、施加电压与EG/石蜡复合相变材料体积电阻率的关系,研究了直接自发热和正温度系数（PTC）电阻发热时复合相变蓄热单元的发热特性。结果表明,随着EG含量或施加电压的增大,复合相变材料体积电阻率逐渐减小;施加电压对样品体积电阻率的影响与复合相变材料中EG含量有关,EG含量越高,施加电压对复合相变材料体积电阻率的影响越明显。当施加电压为4.0V时,EG质量分数分别为4%、5%、8%的复合相变材料体积电阻率分别只有0.5V时的0.481倍、0.185倍、0.068倍。基于复合相变材料导电特性,直接负载电压可实现复合相变材料电热转化和相变蓄热;结合PTC电阻发热可灵活控制复合相变蓄热单元加热功率,实现其快速充热。     

高导热膨胀石墨/棕榈酸定形复合相变材料的制备及储热性能研究

采用棕榈酸(palmitic acid, PA)作为相变材料,膨胀石墨(expanded graphite, EG)作为添加基质,通过“熔融共混-凝固定形”工艺制备了PA/EG定形复合相变材料以提高相变材料的综合性能。预测并制备了21种不同配比的定形复合相变材料,对其形貌结构和孔隙率进行了微观表征与理论分析,并在此基础上对样品进行了传热性能分析、热物性测试、热稳定性研究和储热性能分析。SEM形貌分析显示所使用工艺可使棕榈酸能较好地被吸附于膨胀石墨的孔隙结构并使之均匀分布;DSC测试结果表明定形复合相变材料[70%(质量) PA]的焓值为193.01 J/g,纯PA的焓值为275.35 J/g,对应于熔点分别为61.08℃和59.53℃。EG的添加,可有效提高相变材料的热导率。当样品密度为900 kg/m³,EG含量为30%(质量)时,定形复合相变材料的热导率为14.09 W/(m·K),相比于纯PA[0.162 W/(m·K)]提高约87倍;对制备的样品进行50次循环稳定性实验,EG含量为24%(质量)和30%(质量)的样品形态均未出现明显变化,表现出良好的充放热循环稳定性。     

石蜡/膨胀石墨定形相变材料的性能

以石蜡为相变材料,利用膨胀石墨多孔网络结构,通过物理吸附法制备出石蜡/膨胀石墨复合相变材料,并通过模压法制成定形相变材料板块。采用差示扫描量热分析仪(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、偏光显微镜(POM)和Hot Disk 热常数分析仪等对复合相变材料进行了结构和性能的表征与测量,建立了冷/热循环实验系统以分析材料的蓄/放热性能等。结果表明:石蜡质量分数为80%的定形相变材料相变温度为27.27℃,相变焓为156.6 kJ·kg^-1。制备的定形相变材料具有相变过程形状稳定、热导率高、储热密度大等特点,并具有良好的稳定性和较长的使用寿命。     

Preparation and thermal characterization of expanded graphite/paraffin composite phase change material

Expanded graphite (EG)/paraffin composite phase change materials (PCMs), with mass fraction of EG varying from 0 to 10 wt.%, were prepared and characterized. Polarizing optical microscope investigation showed that compact EG networks formed gradually with increase in the mass fraction of EG. These networks provided thermal conduction paths which enhanced the thermal conductivity of the composite PCMs, e.g., an addition of 10 wt.% EG resulting in a more than 10-fold increase in the thermal conductivity compared to that of pure paraffin. Thermal characterization of the composite PCMs with a differential scanning calorimeter (DSC) revealed the effect of the porous EG on the phase change behavior of paraffin. The shifts in the phase change temperatures were observed. The maximum deviation of the melting/freezing points of the composite PCMs from that of pure paraffin was 1.2 °C whereas that of the peak melting/freezing temperature was 5.6 °C. The DSC investigation also showed an anomaly in the latent heat of the paraffin in the composite PCMs in that it first increased and then decreased with increase in the EG fraction. Heat storage/retrieval tests of the composite PCMs in a latent thermal energy storage system showed that the heat storage/retrieval durations for EG(10)/paraffin(90) composite were reduced by 48.9% and 66.5%, respectively, compared to pure paraffin, which indicated a great improvement in the heat storage/retrieval rates of the system.     

80#石蜡/膨胀石墨定形复合相变材料的特性表征与分析

以80^#石蜡为相变材料,利用不同粒径膨胀石墨的多孔隙结构,以多层吸附、模压法压制方式制备了80^#石蜡/膨胀石墨定形复合相变材料。通过循环融冻实验分析了80^#石蜡的热稳定性和循环稳定性,滴定滤纸渗漏实验确定了不同组分复合相变材料的渗漏率。采用差示扫描量热仪(DSC)、扫描电子显微镜（SEM）、Hot Disk热常数分析仪等仪器对所制备复合相变材料的相变潜热、多孔基吸附结构、热导率、渗漏率等特性进行了分析。结果表明：当膨胀石墨的添加质量分数达到整体组分的8%时,复合定形相变材料的相变温度为80.86℃（吸热）和76.08℃（放热）,相变潜热为130.12kJ/kg,且渗漏率小于0.3%。制备的复合定形相变材料具有形状稳定、渗漏率低、蓄热密度高的特点,且具有较长的使用寿命。     

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。     

超重条件下泡沫石墨-石蜡相变传热实验研究

基于高热导率多孔材料骨架强化传热的相变蓄冷器具有热容量大、换热效率高、控温稳定、环境适应性强等优点,在航空航天领域具有广泛的应用前景。多孔介质内固-液相变换热过程中,由于相变换热产生的相变工质密度差在加速度的驱动下造成的液相浮升力变化,将引发更为复杂的固-液相变流动与换热不稳定性特征。设计搭建了离心环境条件下的多孔介质内固-液相变换热实验研究装置,实验获得了不同加速度大小和方向下多孔介质内固-液相变换热特性。结果表明,高导热泡沫石墨-石蜡相变蓄冷能够实现界面较低升温速率温控,同时加速度方向对于相变蓄冷装置整体换热效率及换热均温性存在显著影响。当加速度方向与热流方向反向或垂直时,加速度驱动液相储能工质局部自然对流将促进整体换热效率,而加速度方向与热流方向同向时换热效率降低,并且上述差异将随着加速度的提升而进一步扩大。     

圆柱系统中石蜡/纳米银复合相变材料热特性分析

相变材料由于具有相变潜热,被应用于各领域的热管理。锂离子动力电池作为一种新能源,近年来广泛应用于电动汽车,相变冷却作为一种有效的被动冷却方式,能够有效减缓锂电池的热聚集。为将相变材料应用于减缓锂电池热失控,本工作建立了石蜡/纳米银复合相变材料(CPCM)的圆柱系统,使用相变模型及流体体积(VOF)模型研究了相变材料的融化过程,得到了初始时期空气/石蜡气液交界面的变化以及石蜡的液相分布,与实验结果具有很好的一致性。在此基础上分析了相变过程的吸热及储热情况。同时,针对不同质量分数的石蜡/纳米银复合相变材料进行模拟,结果表明,添加0.5wt%~2wt%的纳米银颗粒能够改善石蜡的导热性能,但潜热会有所降低。相变结束后,材料吸收的热量将转化为显热,底面传热减小,主要是通过壁面传热。另外分析了融化过程中液相的流动情况,相变材料液态层增厚,Nu数下降并趋于稳定,增加纳米银浓度也会降低Nu数。     

Heat transfer enhancement of paraffin wax using compressed expanded natural graphite for thermal energy storage

Compressed expanded natural graphite (CENG) matrices with different densities were used to increase the thermal property of paraffin wax. To predict the performance of the paraffin wax/CENG composites as a thermal energy storage system, their structure, thermal conductivity and latent heat were characterized. Results indicated that the thermal conductivity of the composites can be 28-180× that of the pure paraffin wax. The existence of natural convection can reduce the time necessary for melting due to the anisotropy of the pore structure and thermal conductivity in CENG matrix. There are almost linear relationships between the thermal conductivity and the bulk density of the CENG matrix, and between the latent heat of the composite and the mass ratio of paraffin wax in the CENG matrix.