独立探头3ω法表征甲烷水合物热导率和热扩散率

甲烷水合物热物性参数的测量一般是基于时域信号测量,测量方法没有考虑探测器与试样之间的接触热阻。基于频域信号测量原理,研发的3ω独立探头大大拓展了该方法的应用范围。建立了低温高压甲烷水合物合成测量系统。利用独立探头3ω法实时测量甲烷水合物热导率、热扩散率、探头和甲烷水合物之间的接触热阻。分析了甲烷水合物热导率、热扩散率随温度的变化规律;比较了测量值与国内外学者测量数据的不同;发现接触热阻对甲烷水合物热导率有显著影响。     

二氧化碳水合物导热和热扩散特性

热导率和热扩散率是天然气水合物资源开采关键性基础热物性数据,采用反应釜内壁衬有氟塑料材料,低过冷度,让水合物在反应釜内逐层生成的合成方法,获得可直接用于导热测试的二氧化碳水合物样品。采用瞬变平面热源法原位测试了温度264.68~282.04 K、压力1.5~3 MPa二氧化碳水合物热导率、热扩散率,并测试了二氧化碳水合物在268.05 K、0.6 MPa左右发生自保护效应过程中热导率、热扩散率,获得了晶态下和自保护效应过程中的二氧化碳水合物热导率、热扩散率变化特性。测试结果将为天然气水合物资源的开发利用提供基础数据和理论依据。     

二氧化碳水合物导热和热扩散特性

热导率和热扩散率是天然气水合物资源开采关键性基础热物性数据,采用反应釜内壁衬有氟塑料材料,低过冷度,让水合物在反应釜内逐层生成的合成方法,获得可直接用于导热测试的二氧化碳水合物样品。采用瞬变平面热源法原位测试了温度264.68～282.04 K、压力1.5～3 MPa二氧化碳水合物热导率、热扩散率,并测试了二氧化碳水合物在268.05 K、0.6 MPa左右发生自保护效应过程中热导率、热扩散率,获得了晶态下和自保护效应过程中的二氧化碳水合物热导率、热扩散率变化特性。测试结果将为天然气水合物资源的开发利用提供基础数据和理论依据。     

拉曼方法同时测量单根碳纤维热物性和对流传热系数

主要完善并利用新近提出的激光拉曼测试方法,在333.15 K环境温度下测量了单根碳纤维的热导率（不考虑接触热阻）,并与直流通电法测量结果进行比较,两者符合较好,验证了新提出的激光拉曼测量方法的可行性。同时激光拉曼方法还测量得到了接触热阻、碳纤维的激光吸收率及与空气的对流传热系数,并处理得到考虑接触热阻后修正的碳纤维真实热导率。     

拉曼方法同时测量单根碳纤维热物性和对流传热系数

主要完善并利用新近提出的激光拉曼测试方法,在333.15K环境温度下测量了单根碳纤维的热导率(不考虑接触热阻),并与直流通电法测量结果进行比较,两者符合较好,验证了新提出的激光拉曼测量方法的可行性。同时激光拉曼方法还测量得到了接触热阻、碳纤维的激光吸收率及与空气的对流传热系数,并处理得到考虑接触热阻后修正的碳纤维真实热导率。     

炭纤维/树脂复合材料导热性能的数值模拟

采用有限元方法对炭纤维/树脂复合材料的导热性能进行了数值模拟,分别建立一维结构和二维结构炭纤维/树脂复合材料计算分析模型,研究炭纤维含量、界面接触热阻、以及炭纤维直径对复合材料有效热导率的影响。研究结果表明炭纤维作为复合材料增强相,其含量越高复合材料的热导率越高;界面的接触热阻在10-3~10-5(m2 K)/W范围内对复合材料有效热导率有较大的影响,超出范围之后改变接触热阻对材料热导率的影响可以忽略;接触热阻比较大时,炭纤维的直径对复合材料的热导率有较大的的影响,当接触热阻比较小时,炭纤维的直径对于复合材料热导率的影响非常小。     

基于TDTR技术水合物热导率测量方法

四氢呋喃水合物（THF）是典形的笼形水合物,目前有关其热导率的报道较少,且都存在测量样品不是单一相、测量过程水合物发生分解等问题。采用基于飞秒脉冲激光的时域热反射法（TDTR）测量THF热导率。根据样品常温下是流体的特点,设计了可同时适用样品制备及TDTR测量的温控台,实现THF热导率非接触原位测量。获得THF热导率为0.6 W/(m?K),Al/THF界面热导为90.3 MW/(m²?K)。该实验结果有助于理解并完善固体水合物微观导热机理,明晰水分子笼子和客体分子的耦合关系。     

甲烷水合物声子导热及量子修正

采用平衡分子动力学方法模拟了甲烷水合物的导热,给出了30～150 K甲烷水合物的热导率。采用量子修正对分子模拟结果进行处理,可以得到更接近实验值的结果。当模拟温度低于德拜温度时,量子效应对分子模拟结果的影响较大。通过对热流自相关函数拟合得到了声学声子和光学声子的弛豫时间。结果显示,声子弛豫时间随温度增加逐渐减小,声学声子导热在水合物的导热中比重最大。随着碳氧原子之间相互作用力的增加,碳氧原子之间振动的耦合程度增加,甲烷水合物的热导率增加。     

碳填料/天然橡胶复合材料热导率及层间接触热阻对微波加热效果的影响

摘要：制备炭黑/天然橡胶（NR）、石墨烯/NR和碳纳米管/NR复合材料,采用试验与数值模拟相结合的方法研究复合材料热导率和层间接触热阻对微波加热的影响。结果表明：炭黑、石墨烯和碳纳米管自身热导率越大,复合材料的热导率越大,层间接触热阻越小;通过增大填料用量来增大复合材料的热导率和减小层间接触热阻具有一定的局限性,需考虑复合材料的配方设计适用性和经济性;复合材料的热导率对微波加热过程中高、低温区域分布规律和微波加热效率基本无影响,但影响复合材料的温度分布均匀性。为保证微波加热硫化均匀性,多层复合材料的层间接触热阻不可忽略。     

热界面材料热导率和接触热阻的测试

热界面材料通常用于降低电子器件中固体界面的热阻。热界面材料的性质, 如热导率、界面材料与固体表面间的接触热阻, 对于电子器件的散热分析非常重要。然而, 这些参数通常难以获得。依据ASTM D-5470测试标准, 搭建了一个热界面测试系统。通过该系统测试了硅油和导热硅脂的热导率, 以及它们与固体基板间的接触热阻。经分析, 测试热导率和接触热阻的相对误差分别小于11.3%和41.3%。     

烃类水合物导热特性的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法Green-Kubo理论计算了263.15 K、3 MPa,sⅠ乙烷水合物、乙烯水合物的导热,给出密度和热导率值。从主客体分子和晶体结构（致密性、规整程度）对导热的影响等角度研究了烃类水合物（甲烷水合物、乙烷水合物、乙烯水合物）导热的特性。结果显示化学性质相似、分子量相差不大的烃类形成的水合物,其导热具有相似的温度压力依赖关系和晶体结构相关关系。对于sⅠ型水合物,水分子对水合物导热的影响远远超过客体分子对导热的影响。水合物的分子量越大,水合物密度越大,热导率越大。水合物晶体越致密、晶格越规整,热导率越大。     

烃类水合物导热特性的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法 Green-Kubo理论计算了263.15 K、3 MPa,sⅠ乙烷水合物、乙烯水合物的导热,给出密度和热导率值。从主客体分子和晶体结构(致密性、规整程度)对导热的影响等角度研究了烃类水合物(甲烷水合物、乙烷水合物、乙烯水合物)导热的特性。结果显示化学性质相似、分子量相差不大的烃类形成的水合物,其导热具有相似的温度压力依赖关系和晶体结构相关关系。对于sⅠ型水合物,水分子对水合物导热的影响远远超过客体分子对导热的影响。水合物的分子量越大,水合物密度越大,热导率越大。水合物晶体越致密、晶格越规整,热导率越大。     

石墨/聚酰亚胺复合材料的热性能研究

以石墨填充聚酰亚胺(PI)复合材料为研究对象,考察了温度和石墨用量对石墨/PI复合材料的比热容、热导率和热扩散系数的影响。实验表明,升温速率、载气N2流速和样品质量是影响PI复合材料比热容的主要因素;PI复合材料的比热容随石墨用量的增加而降低,PI复合材料的热导率和热扩散系数都随石墨用量的增加而增大;随着温度的升高,PI复合材料与无机复合材料的比热容和热导率变化规律相同;而PI复合材料与无机复合材料的热扩散率变化规律却不同。     

咪唑型离子液体热物理性质测量

利用自行搭建的热线法液体热导率和热扩散系数装置测试了两种咪唑型离子液体([C₆mIm][BF₄]和[C₄mIm][BF₄])在不同温度下的热导率和热扩散系数。根据文献报道的密度数据获得了样品的比热容。结果表明:两种离子液体的热导率与温度的相关性不大;两种阳离子结构相似的离子液体热扩散率相近, 热扩散率随温度的升高有明显的变化, 本文认为离子液体内部的离子动量分布与温度紧密相关, 离子间的动量交换随温度的升高而增加, 离子动量分布随温度升高逐渐趋于一致, 离子间碰撞产生的动量交换不再明显改变离子的动量, 导致热扩散率的变化随温度升高而减小。     

含湿率对多孔介质热导率测量准确性的影响

本文利用HotDisk热常数分析仪对不同含湿率时含湿沙的热导率进行测量研究,并对孔隙尺度水分形态、分布及演化过程进行了观察实验研究。研究发现,低含湿率（＜25%）情况下,介质的有效热导率难以准确测得。低含湿时孔隙内水分主要以孤立液桥形式存在,测试过程中,贴近探头附近的水分由于受探头加热发生蒸发扩散而逐渐减少,导致探头周围试样构成持续发生变化,因而测量得到的热导率准确性较差。含湿率较高时,孔隙内水分相互联通,测试时水分蒸发扩散速度相对较慢,且存在毛细回流现象,探头周围试样构成维持恒定,因此可以准确获得热导率。     

掺镁碳酸熔盐液体导热特性

为克服碳酸熔盐热导率较低的不足,提出通过向三元碳酸熔盐(Li2CO3-Na2CO3-K2CO3)掺杂金属镁粉来改善导热性能的新思路,采用静态熔融法制备了掺杂1%、2%掺镁碳酸熔盐复合材料。采用扫描电镜-X射线能谱、阿基米德法、差示扫描量热法(DIN比热测试标准)和激光闪光法,分别观察了掺镁碳酸熔盐形貌结构,测量了熔盐和复合熔盐液体的密度、比热容、热扩散系数,最后计算获得复合熔盐液体的热导率。研究结果表明,镁粉的加入改变了纯盐(三元碳酸熔盐)的形貌结构,熔体内形成大量的2~5μm球体颗粒,与纯盐相比,1%掺镁碳酸熔盐液体密度、热扩散系数和热导率都得到增强,液体比热容减小,复合熔盐液体的平均热导率增加了21.67%;2%掺镁碳酸熔盐液体密度、热扩散系数和热导率同样得到增强,虽然复合熔盐液体的比热容减小,但其平均热导率仍然增加了19.07%。1%掺镁碳酸熔盐具有更高的液体密度、热扩散系数和热导率,可作为传热介质在太阳能热发电传蓄热系统推广。     

采用HOTDISK测量材料热导率的实验研究

使用HotDisk热分析仪进行材料热导率测量的实验研究。通过对不锈钢标准件,冰和多孔介质的热导率测量,证明该分析仪器能够适应不同材料的热物性测试。对冰的测量结果与文献值的最大相对误差仅为0.324％,对不锈钢标准件测量结果与标准值一致,在室温(22℃)左右为14.07W·m~(-1)·K~(-1)。对建筑用砂与空气、水和冰组成的饱和多孔介质的有效热导率测量结果表明:砂的颗粒粒径大小对材料的有效热导率影响很大,这种影响主要是接触热阻和连续相相对体积大小相互作用的结果。     

多孔材料中甲烷水合物生成的传热数值模拟研究

水合物储运(NGH)是近几年发展起来的天然气储运技术,已具备实现工业化的潜力。但水合物的生长是传质传热控制的反应,因此在放大实验中存在诸多不确定因素。针对该问题,对水合物反应器中多孔材料内甲烷水合物生成传热过程建立了基于化学反应动力学和多孔材料内传质传热的甲烷水合物生成传热数学模型,可用于计算反应器内水合物生成分布和热量分布,指导水合反应器的设计和优化。通过模拟与实验数据对比验证了该模型的可靠性,并对使用了不同热导率填料的水合反应过程进行数值模拟。结果显示,模拟值与实验值的绝对平均相对误差小于6%,生成传热模型准确性高;在水合反应过程中,热量传递是影响水合物生成速率的关键因素之一。导热不良时,易在水合物生成中心部分形成局部过热,对水合物生长造成热抑制。在进行水合物生成放大实验时,应特别注意反应器内部的热量控制。     

掺镁碳酸熔盐液体导热特性

为克服碳酸熔盐热导率较低的不足,提出通过向三元碳酸熔盐（Li₂CO₃-Na₂CO₃-K₂CO₃）掺杂金属镁粉来改善导热性能的新思路,采用静态熔融法制备了掺杂1%、2%掺镁碳酸熔盐复合材料。采用扫描电镜-X射线能谱、阿基米德法、差示扫描量热法（DIN比热测试标准）和激光闪光法,分别观察了掺镁碳酸熔盐形貌结构,测量了熔盐和复合熔盐液体的密度、比热容、热扩散系数,最后计算获得复合熔盐液体的热导率。研究结果表明,镁粉的加入改变了纯盐（三元碳酸熔盐）的形貌结构,熔体内形成大量的2~5 μm球体颗粒,与纯盐相比,1%掺镁碳酸熔盐液体密度、热扩散系数和热导率都得到增强,液体比热容减小,复合熔盐液体的平均热导率增加了21.67%;2%掺镁碳酸熔盐液体密度、热扩散系数和热导率同样得到增强,虽然复合熔盐液体的比热容减小,但其平均热导率仍然增加了19.07%。1%掺镁碳酸熔盐具有更高的液体密度、热扩散系数和热导率,可作为传热介质在太阳能热发电传蓄热系统推广。     

多孔材料中甲烷水合物生成的传热数值模拟研究

水合物储运(NGH)是近几年发展起来的天然气储运技术,已具备实现工业化的潜力。但水合物的生长是传质传热控制的反应,因此在放大实验中存在诸多不确定因素。针对该问题,对水合物反应器中多孔材料内甲烷水合物生成传热过程建立了基于化学反应动力学和多孔材料内传质传热的甲烷水合物生成传热数学模型,可用于计算反应器内水合物生成分布和热量分布,指导水合反应器的设计和优化。通过模拟与实验数据对比验证了该模型的可靠性,并对使用了不同热导率填料的水合反应过程进行数值模拟。结果显示,模拟值与实验值的绝对平均相对误差小于6%,生成传热模型准确性高;在水合反应过程中,热量传递是影响水合物生成速率的关键因素之一。导热不良时,易在水合物生成中心部分形成局部过热,对水合物生长造成热抑制。在进行水合物生成放大实验时,应特别注意反应器内部的热量控制。