熔融盐相变储热材料的研究现状及发展趋势

熔融盐相变储热材料具有潜热大、储能密度高、过冷度小、热稳定性好、成本低等优点,广泛应用于太阳能热利用的储热介质.在对熔融盐相变储热材料进行分类的基础上,综述了国内外对碳酸盐、氯化盐和硝酸盐等储热材料在热物性和腐蚀性方面的研究现状.针对熔融盐储热材料导热率低的问题,详述了以膨胀石墨、金属、陶瓷、陶土等为基体材料、熔融盐为附体材料的高导热率复合材料制备方面的研究进展.最后展望了熔融盐相变储热材料的研究趋势.     

基于孔尺度的泡沫金属强化相变储热材料传热性能数值模拟

导热系数低是影响相变储热材料应用的主要难题之一,而泡沫金属具有高热导率、高孔隙率以及高比表面积等特性,在相变材料中添加泡沫金属可实现强化传热。该文基于泡沫金属基3D微观结构W-P模型,重点分析了泡沫金属基复合相变材料有效导热系数与泡沫金属孔隙率以及孔径的关系,采用数值模拟方法利用该模型预测并验证了泡沫铝6101添加空气与水的有效导热系数,研究结果表明该模型能够精确预测泡沫金属材料有效导热系数,在此基础上预测了石蜡中添加泡沫铜的有效导热系数,结果表明,泡沫金属可以显著提高相变材料的导热系数,当泡沫铜的孔隙率为97.57%时,复合相变材料的导热系数与纯石蜡相比提高了13倍。研究结果对于相变储热材料的热物性强化研究具有一定参考价值。     

石墨泡沫/共晶盐复合相变材料的制备及其热物性

为强化二元硝酸共晶盐(NaNO3/KNO3)的导热性能,在共晶盐中添加石墨泡沫制出石墨泡沫/共晶盐复合相变材料;对共晶盐和复合相变材料的相变特性进行差示热分析;对石墨泡沫的导热系数和复合相变材料的有效导热系数进行测定,并用拉曼光谱对复合相变材料进行稳定性分析。结果表明,石墨基复合材料可以用熔融浸渗法制备,且制备样品的稳定性能良好。复合相变材料的相变温度(221.3°C)与共晶盐(222.4°C)相似,其相变潜热与基于复合材料中共晶盐含量的潜热值相近(下降3.74%)。受石墨骨架高热导率的影响,复合相变材料的导热能力明显提高,与纯共晶盐比增加了102倍。     

用稳态平板法测定储热材料导热系数的实验研究

为了改善无机水合盐三水醋酸钠储热材料的导热系数,可以加入一定量的高导热系数的膨胀石墨.采用稳态平板法测定了含不同体积分率膨胀石墨的复合相变储能材料的导热系数,经过比较分析,储热材料加入膨胀石墨后,导热系数明显改善,10%体积分率的膨胀石墨能将以三水醋酸钠为储热基质的储热材料的导热系数提高一倍;固态储热材料的导热系数随温度上升,变化幅度不大,在实际贮能工程计算中可作常数处理.     

原位反应制备陶瓷基复合相变材料及其工艺研究

针对熔融盐相变材料成型难、导热低的问题,设计采用微米级氮化铝原位反应的方法制备陶瓷基导热骨架,以此来吸附熔融盐,形成陶瓷基复合相变材料。研究了加水量及成型压力对该复合相变材料的性能影响,确定了最佳加水量为15%,最佳成型压力为30 MPa。分析SEM照片发现,原位反应生成的水解氧化铝具有花簇状结构,能够吸附复合盐,维持结构不塌陷。TG-DSC及导热测试表明,该复合相变材料具有182.4 J/g的相变焓和4.928 W/(m·K)的导热系数。在50次循环后,复合相变材料焓值几乎无衰减,具有很好的循环稳定性,其优异的性能归因于原位反应生成的陶瓷基导热骨架。     

膨胀石墨定形复合相变材料热性能可视化研究

膨胀石墨(EG)作为吸附材料不仅可以防止石蜡(PA)泄漏，还可以提高复合相变材料的导热系数。采用熔融混合法制备了EG含量不同的3种石蜡/膨胀石墨(PA/EG)定形复合相变材料，并对复合相变材料的潜热、热导率、热稳定性和热分解特性进行研究；搭建了可视化控温系统，在恒热流密度下采用红外热成像仪对复合相变材料传热特性进行可视化研究。研究结果表明：EG含量为30%(wt,质量分数，下同)时，复合相变材料导热系数为5.21W/(m·K),与PA相比提高约20倍；随着EG含量的增加，复合相变材料的相变焓逐渐降低，当EG含量为30%时，循环100次后复合相变材料的相变焓为183.6J/g;从熔融过程的温度可视化结果可得，复合相变材料中的EG虽然削弱了自然对流的影响，但是由于其导热系数远高于PA,所以复合相变材料温度变化较为明显。     

丹宁酸刻蚀ZIF-67制备导热增强型定形相变材料的性能

为解决有机固-液相变材料(PCMs)导热系数低和相变易泄漏的难题,利用丹宁酸刻蚀ZIF-67制备碳基骨架作为支撑体(HX-C),硬脂酸(SA)为相变芯材,采用真空熔融吸附法构筑导热增强型定形相变材料(SA/HX-C)。为评估其储热能力,对热稳定性、储热性能、导热系数、定形能力及光热转换能力进行研究。同时,借助氮气等温吸附-脱附、傅里叶红外光谱、X-射线衍射和扫描电子显微镜进行表征。结果表明：丹宁酸刻蚀ZIF-67可实现对其碳化衍生物的扩孔作用,提高SA/HX-C的定形能力。所制备的SA/HX-C具有良好的储热性能、导热能力及光热转换性能。其中,刻蚀时间为6 min的复合相变材料(SA/H6-C)的储热效率可达80.84%,光热转化效率高达76.29%,导热系数(0.461 W/(m·K))相比于SA提高了156.11%。SA/H6-C在相变过程中无任何形貌变化和泄漏,重复循环储/放热100次后仍然具有良好的储热能力。     

有机复合相变材料光热转换和储热性能的研究进展

有机相变材料具有过冷度低、无析出、性能较稳定以及熔点温度与中低温储热系统的应用温度相匹配等优点,受到了众多研究人员和工业界人士的关注。但有机相变材料导热系数低、光热转换效率差的缺点限制了其在太阳能光热转换中的进一步应用。将金属基、碳基等材料与有机相变材料进行复合是提高其性能的有效途径。本文介绍了常见的有机复合相变材料制备方法,并对其制备流程和优缺点进行了讨论,分析了不同添加剂和制备方法对有机复合相变材料的光热转换效率、导热系数、相变焓乃至形状稳定性的影响,并对其应用前景进行了展望。     

基于矿物特性的太阳能储热材料研究进展

相变材料因其优越潜热被广泛应用于太阳能光热技术中,绝大多数有机相变材料的导热系数非常低,大多介于0.1～0.4 W·m-1·K-1之间。此外,相变材料流动性大,因此需采用导热性能好、具有稳定结构的基体支撑有机相变材料,改善其应用性能。一些天然矿物具有适当的比热与导热系数、多孔道的微结构以及天然的热稳定性与化学兼容性等矿物特性,被用于支撑相变材料制备太阳能储热材料。探讨了矿物的结构特性与性能优势,总结了石墨、珍珠岩、蛭石、硅藻土、埃洛石以及石膏等矿物基太阳能储热材料的制备研究。在此基础上介绍了矿物基太阳能储热材料在太阳能建筑节能、太阳能热水器、太阳能热发电等太阳能光热领域中的应用,并展望了矿物基太阳能储热材料的发展趋势和应用前景。     

聚乙二醇/白炭黑复合相变储热水泥板的性能研究

以聚乙二醇(PEG)为相变材料、白炭黑(WCB)为定形载体,通过高频超声共混法制备出PEG质量含量为70%的聚乙二醇/白炭黑复合相变储热材料(PEG/WCB-PCM),借助比表面积分析仪、差示扫描量热仪(DSC)及热重分析仪(TGA)对PEG/WCB-PCM的多孔结构、储热特性及热稳定性进行测试与表征;将PEG/WCB-PCM与水泥砂浆混合,制备出新型复合相变储热水泥立方体及水泥板,并对其表观密度、抗压强度、导热系数及储热调温性能进行实验。结果表明:PEG/WCB-PCM的定形效果主要得益于WCB的多孔网络状结构,PEG/WCB-PCM的相变焓高达114.8J/g且在300℃以下温度范围内热稳定性良好;随着PEG/WCB-PCM掺量的增加,复合相变储热水泥立方体的表观密度及抗压强度都呈下降趋势,因此应合理控制PEG/WCB-PCM的掺量;尽管PEG/WCB-PCM的掺入会影响复合相变储热水泥板的导热系数,但储热调温实验表明,PEG/WCB-PCM在水泥板中能起到显著的储热调温作用,可作为一种绿色节能材料应用到建筑节能领域。     

膨胀石墨/石蜡复合相变材料的碳纳米管掺杂改性研究

为了制备兼具高相变潜热和高导热系数的膨胀石墨/石蜡(EG/PA)复合相变材料,使用真空浸渍法并通过碳纳米管(CNTs)掺杂对复合相变材料进行了改性。导热性能测试分析发现,当复合相变材料中石蜡质量分数较高时,CNTs掺杂可以有效地增强复合相变材料的导热系数,并且随着CNTs掺杂含量的提高复合相变材料的导热系数也逐渐增大,但是当CNTs掺杂量高于0.8%(质量分数)时导热系数增大速度变慢,因此优化的CNTs掺杂含量为0.8%(质量分数)。在此优化参数下,复合相变材料的熔化潜热从145.27 J/g变到144.39 J/g几乎没有变化,而导热系数从2.141 W/(m·K)提升至4.106 W/(m·K),提升了约1倍,并且在100次热循环之后仍然保持很好的储热能力,具有较好的热循环稳定性。     

水溶液法制备NaNO3-LiNO3/石墨复合高温相变材料研究

利用饱和水溶液法,在NaNO3和LiNO3混和溶液中添加膨胀石墨(EG),在温度90℃的水浴箱内用强力电动搅拌机搅拌,随后放入120℃电热恒温鼓风干燥箱内24h烘干,得到NaNO3-LiNO3/EG高温复合相变材料,并分别制备了EG含量为10%、20%、30%的相变材料。利用SEM、DSC、Hot-disk和自行设计的自动循环设备分别对复合相变材料的微观形貌、相变温度、潜热、导热系数以及热循环过程中储放热行为进行了测试。研究表明,NaNO3-LiNO3共晶盐能够被吸附到石墨片层之间,形成稳定、均一的复合相变材料。随EG含量的增加,复合相变材料的有效潜热不断降低,但是相变温度变化微小,相变材料本身的储热性能也没有显著的变化,因此EG没有改变相变材料的储热性能。EG含量的增加,会显著提高复合相变材料的导热系数,并且随EG含量的增加而不断增大。EG含量低的复合材料在多次蓄放热的热循环过程中,热稳定性较好。饱和水溶液法制备NaNO3-LiNO3/EG复合相变材料是一种非常有效的强化复合材料导热功能的制备方法。在实际应用中,要综合考虑储热量、导热性能和热稳定性等各方面因素进行优化选择,以便使储热系统能够高效率、快频率、长寿命地运行。     

金属相变储能与技术的研究与发展

相变储能是有效的储热方式.其中,金属相变储热因吸放热过程中,储能密度大,过冷度小,导热率高,反复相变后长期性能稳定,过程易控制,因而在高温储热方面具有广泛的用途.从金属相变储热材料、传热分析、金属相变材料与容器材料的相容性和应用4个方面,回顾了金属固液相变储热的发展.     

石墨/石蜡复合相变储热材料的热性能研究

膨胀石墨(EG)在超声作用下解离成微米级石墨片层(MSGF),并加入到石蜡基体中制备得到石墨/石蜡复合相变储热材料,并对复合相变材料的结构和热性能进行表征。实验结果表明,该石墨/石蜡复合相变储热材料储热速率加快,化学性质稳定。随MSGF质量分数的增加,固态及液态复合材料的导热系数均呈非线性显著增长,相变温度及相变潜热略有降低。     

无机盐/膨胀石墨复合相变材料的制备及性能研究

为了改善单一相变材料易泄露、潜热较低、稳定性差等问题,以三水合乙酸钠作为主要相变材料,十二水合磷酸氢二钠作为成核剂,聚丙烯酸钠作为增稠剂,膨胀石墨作为导热增强剂,通过熔融共混法制备了形状稳定的复合相变材料。通过步冷曲线法、DSC差示扫描量法、SEM扫描电镜及热循环实验对材料特性进行表征和测量。结果表明,膨胀石墨可以较好地吸附基底材料,起到导热桥架的作用,当膨胀石墨的含量逐渐增加时,复合相变材料的相变温度略微降低,过冷度有效减小,导热系数大幅提升,储热性能没有显著变化。综合分析,复合相变材料的最佳配比为n(SAT)∶n(DSP)∶n(PAAS)∶n(EG)=100%∶4%∶1%∶8%,其相变温度为57.1℃,相变潜热为219.2 kJ/kg,具有良好的热稳定性。     

石蜡/不同粒径膨胀石墨复合相变储热材料的制备和性能

用熔融共混法制备石蜡/不同粒径膨胀石墨复合相变储热材料,对样品进行XRD、FT-IR、SEM、DSC和LFA表征分析,研究了不同粒径膨胀石墨的质量比例对复合相变储热材料性能的影响。结果表明:随着小粒径膨胀石墨含量的增加,复合相变储热材料的热扩散系数先增大后减小。在大小粒径膨胀石墨质量比例为9∶1时,石蜡充分利用了大小粒径膨胀石墨的镶嵌式空间结构,复合相变材料的热扩散系数为1.964×10-6m2/s,比纯石蜡提高了22倍,相变潜热为144.2 J/g。     

储热型吸附式空气取水器吸附剂与储热材料的选择

本文针对太阳能储热型吸附式空气取水器吸附剂和储热材料的选择,分别研究了以膨胀硫化石墨(ENG-TSA)和以活性炭纤维(ACF)毡为基质的复合吸附剂的导热系数和吸附性能,硬脂酸/膨胀硫化石墨(ENG-TSA-SA)复合相变储热材料的导热系数与DSC测试。结果表明:ENG-TSA-LiCl复合吸附剂的导热系数最大可达5.67 W/(m·K),吸水量最大可达1.54 g/g。真空浸渍法获得的ACF-LiCl复合吸附剂的吸水量比大气浸渍法高。ASLi40固化吸附剂的吸水量为1.59 g/g,适用于大批量生产。ENG-TSA-SA的径向导热系数为22.2 W/(m·K),相变温度区间为65.9~77.1℃,适用于太阳能等低品位热能。储热器的添加明显延缓了解吸温度降低的趋势。     

己二酸/膨胀石墨复合相变材料性能研究

以己二酸为相变材料,膨胀石墨为导热增强相,采用机械混合与熔融吸附的方法,制备出己二酸/膨胀石墨复合相变储热材料。通过FT-IR、DSC、热常数分析仪、TG、FE-SEM及热循环实验对制备的复合材料进行了结构和性能研究。结果表明,膨胀石墨能够有效吸附己二酸,两者之间化学相容性良好;随着膨胀石墨掺量的增加,复合材料的相变潜热有减少趋势,导热系数则相应提高;当膨胀石墨的掺量为8%(质量分数)时,制备的复合材料的熔化、凝固相变潜热分别为237.66,220.49J/g,导热系数为2.99W/(m·K),具有良好的热稳定性。     

水溶液法制备硝酸盐/膨胀石墨粉复合相变材料的实验研究

在制备(KNO3-LiNO3-Ca(NO3)2)/膨胀石墨粉(Expanded graphite,EG)复合相变材料过程中,硝酸共晶盐与EG的混匀程度直接影响着复合相变材料的蓄放热性能。KNO3、LiNO3、Ca(NO3)2按一定比例熔融混合制备得到共晶盐,然后再加入不同质量的水使共晶盐溶解,最后再将设定质量比的EG加入并搅拌混匀,加热将水分蒸发完全后得到复合相变材料。利用电子扫描显微镜(SEM)观察EG的微观形貌,用综合热分析仪(DSC Q600)测定所制备的复合相变材料的相变潜热值并用导热仪测量其导热系数。实验结果表明,对于EG质量分数为5%的复合相变材料,当溶解水量大于200g时,热物性较为理想。另外,EG含量越多,复合相变材料的导热系数越大。     

石蜡对无机复合相变储热体系的改性研究

水合盐相变储热材料普遍存在的过冷和相分离现象是影响其热稳定性和热性能的关键问题。以中低温水合盐相变储热材料MgCl₂·6H₂O（MCH）和MgSO₄·7H₂O（MSH）为研究对象,以活性炭（ACC）为添加剂,采用熔融共混法制备了MCH-MSH-ACC混合体系,并以石蜡（PA）为调节剂,制备了MCH-MSH-ACC/PA复合材料相变体系。研究了PA对复合相变体系的相变焓、相变温度、过冷度及相分离的影响。结果表明：微量PA的添加有助于提升MSH-MCH-ACC/PA体系的相变储热性能,和其他PA含量体系相比较,PA含量为0.5wt%的体系在储热阶段所需时间最短,而放热阶段持续时间最长,其初始相变焓值可达到321.75 kJ/kg,循环试验后相变焓稳定在310.25 kJ/kg。所制备的新型共混MSH-MCH-3wt%ACC/0.5wt%PA复合相变体系具有良好的储热性能和循环稳定性能。