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。     

硬脂醇/膨胀石墨复合相变材料的制备及储热性能

相变储热技术是解决热量在时空上分配不平衡问题的有效手段之一,研制高性能的复合相变材料（phase change material, PCM）成为当前研究者关注的重点。硬脂醇（stearyl alcohol, SAL）等有机PCM目前主要存在热导率偏低以及循环稳定性较差等问题而限制了实际应用。以SAL作为PCM,膨胀石墨（expanded graphite, EG）为高导热多孔基质,采用吸附定形工艺制备了16种SAL/EG复合PCMs[EG含量为7%、14%、21%、28%（质量）;样品密度为700kg/m³、800kg/m³、900kg/m³、1000kg/m³]。对复合PCMs样品的微观结构、储热能力、导热性能、循环稳定性及充放热性能进行研究与分析。结果表明：SAL完全填充于EG的多孔网络。当样品密度为900kg/m³,EG质量分数为28%的水平热导率最高,其值为28.58W/(m ? K),相比于纯SAL[0.38W/(m ? K)]提高了74倍,该值大约是相对应垂直热导率[5.99W/(m ? K)]的4.8倍。另外在构建的充放热性能试验台上研究了样品中心位置的储/放热性能,结果显示样品密度为900kg/m³,EG质量分数为28%的样品充放热速率最大,固-液潜热吸热和放热阶段所经历的时间分别为53min和20min。与此同时验证了样品的导热性能和熔化-凝固特性,说明SAL/EG复合PCMs具有稳定可靠的储/放热性能。     

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。     

四氢呋喃水合物在玻璃珠中的微观赋存

水合物在多孔介质的分布含量和赋存模式是当前水合物界研究的热点话题之一。许多学者利用不同的高精密仪器和独立的测量方法做了大量的工作，但仍然没有得到一致的结论。与X射线计算机显微断层技术（X-CT）、核磁共振成像（MRI）等可视化仪器不同，扫描电镜（SEM）具有高分辨率、高景深等特性，是一种可直观地表征样品表面形貌信息的优良工具，而一般的水合物晶体和多孔介质粒径完全在扫描电镜的可视化精度范围。本文利用低温冷场扫描电镜对冰和四氢呋喃（THF）水合物及其玻璃珠进行成像，冰多为六角形和圆球形，且在数量上圆球形冰晶多于六角形冰，还存在少数的由于烧结或者奥斯特瓦尔德熟化产生的多晶不规则结构。而THF水合物为块状、不规则的晶体，其表面上存在少数的冰，两者尺寸相差较大。这是由于THF水合物阻断了冰-水-蒸汽系统的传质，使得烧结/奥斯特瓦尔德熟化的条件很难实现，也因而很难看到冰的多晶结构。此外，观察到冰、水合物在多孔介质内的分布模式也不相同，冰为明显的“孔隙填充”型和“包裹”型，且分布较分散，但THF水合物通过二次电子成像观察和能谱仪（EDS）定性表征，分布密度比较集中，接近“斑块”型。给出了利用EDS表征水合物样品的条件，为EDS在水合物方面的应用提供了有力的指导。     

正十八烷/OBC/EG复合定型相变材料制备及热物性

针对正十八烷相变易泄漏的问题,采用烯烃嵌段共聚物（olefin block copolymer,OBC）作为封装结构,制备复合定型相变材料。并通过添加膨胀石墨（expanded graphite,EG）,改善其热导率低的问题。研究结果表明,当OBC的质量分数为20%时,复合相变材料未发现明显泄漏,定型效果较好,此时复合相变材料的相变焓为166.87 J/g,相较纯十八烷（227.40 J/g）下降26.62%。针对添加有不同质量分数EG的复合相变材料,其热导率随EG含量的增加而增大。其中当EG质量分数为5%时,复合相变材料热导率为4.179 W/(m?K),较纯相变材料热导率[0.24 W/(m?K)提高了约16倍,即EG能够有效提高复合相变材料的导热性能。此外,5%含量下的复合相变材料相变焓约为149.54 J/g,且在经历50次循环后,相变温度和相变焓均未有明显变化,即制备的复合相变材料具有较好的热稳定性。因此,该复合相变材料在建筑节能方面具有应用潜力。     

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。     

基于相变材料的锂离子电池热管理性能

锂离子电池（lithium-ion battery,LIB）作为目前应用最广泛的储能电池之一,在电动汽车等行业发挥着至关重要的作用。电池的温度是影响LIB性能及安全性的重要因素,因此电池热管理（battery thermal management,BTM）至关重要。目前,利用相变材料（phase change material,PCM）进行相变冷却的热管理方式因其潜热高、不需消耗额外能量的优点已成为一种很有前途的方法。本文针对8节并联18650LIB的电池组性能进行了数值模拟及实验研究,探究了石蜡基复合相变材料（composite phase change material,CPCM）物性参数（包括热导率、熔点、相变潜热和材料厚度）对本文设计的电池组热管理性能的影响。结果表明,纯石蜡用于BTM可将3C放电下的电池最高温度降低28.0%,向石蜡中添加膨胀石墨后可使CPCM的热管理性能进一步提升,CPCM的热导率为2.0W/(m·K)时可将3C放电下的电池最高温度进一步降低5.42℃,继续增大CPCM热导率对热管理性能的提升较小。在综合考虑电池组的最高温度和温度均匀性的情况下,为得到在本文所设计的锂离子电池组最佳热管理性能,CPCM的热导率为2.0W/(m·K)、熔点应在36~38℃之间、相变潜热在212J/g左右、CPCM的厚度为4mm时最优。     

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。     

MPCF及其复合材料热导率测试研究

采用激光闪射法测试了中间相沥青基碳纤维(MPCF)及其增强树脂板的热导率,同时平行测试了PAN基石墨纤维的热导率。结果表明:激光闪射法可以正确测定碳纤维的热导率;MPCF的热导率在常温下为500 W/(m˙K),超出PAN基石墨纤维数十倍,属于超导热材料,且具有一定的温度依赖性;MPCF增强树脂复合材料X、Y和Z不同方向的热导率差异较大,X向热导率最高为307.9 W/(m˙K),Y向其次为128.6 W/(m˙K),Z向为2.18 W/(m˙K)。     

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。     

THERMAL CONDUCTIVITY OF THF CLATHRATE HYDRATE FROM 243 K TO 263 K

Using transient plane source technique, we measured THF hydrate thermal conductivity from 243 K to 263 K. The sample THF solution is over saturated in order to avoid the effect of ice. And also to avoid the effect of crystal anisotropy, the THF hydrate was crushed to measure. In the test temperature value increases with the temperature increasing.     

客体分子数对甲烷水合物导热性能影响的分子动力学模拟

本文通过采用EMD方法Green-Kubo理论计算263.15 K 晶穴占有率0-100% sI甲烷水合物导热系数,研究客体分子数对甲烷水合物导热性能的影响。模拟结果显示,甲烷水合物的低导热性能由主体分子构建的笼型结构决定。而在相同温压条件下,随着客体分子甲烷进入晶胞数目增多,晶穴占有率增大后,密度增大,同时客体分子对声子的散射也增强,二者均导致导热性能增强。     

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。     

癸酸-棕榈酸/SiO2复合相变材料的热性能

以SiO2为载体、癸酸-棕榈酸为相变材料,采用溶胶-凝胶法制备癸酸-棕榈酸/SiO2复合相变材料,考察了其储热性能、导热性能、微观形貌和组成结构. 结果表明,当癸酸-棕榈酸掺入量为0.08 mol时,所制材料具有最好的潜热性能,相变温度为20.02~22.08℃,相变焓为44.53~50.51 J/g,适合在建筑领域应用;当癸酸-棕榈酸掺入量为0.06 mol时,材料导热性能最好,导热系数在第一降温阶段为0.211 W/(m×K),相变平台阶段为0.017 W/(m×K),第二降温阶段为0.040 W/(m×K);材料中SiO2与癸酸-棕榈酸仅是物理嵌合,未发生明显的化学作用,癸酸-棕榈酸掺杂过量时明显包裹SiO2,导致复合相变材料潜热性能和导热性能下降.     

H型气体水合物导热系数的分子动力学模拟

气体水合物^[1]是由水和小分子气体形成的非水学计量型笼型晶体。到目前为止,已经发现的气体水合物结构有3种,即Ⅰ型、Ⅱ型和H型,水合物的导热系数是一个很重要的物性参数,人们已对Ⅰ型和Ⅱ型水合物的导热系数进行了较多的实验和理论研究,包括分子模拟研究^[2],由于H型水合物发现较晚,其导热系数无论是实验值还是理论值均未见文献报道,因此本文对H型水合物的导热系数进行了分子动力学模拟。为了给H型气体水合物导热系数的模拟计算提供可靠的热能模型和模拟算法,本文首先对冰体系和空水合物的导热系数进行了分子动力学模拟。     

保温对地热单井换热性能的影响分析

建立了单井地热传热数学模型,模拟了单井地热流动换热过程,比较分析了不同保温材料及保温深度对采出水温度和取热功率的影响。结果表明：保温材料热导率和保温深度对系统取热功率有很大影响。当保温材料热导率为0.03 W/( m·K)和0.5 W/( m·K)时,平均取热功率分别 为732.08 kW和640.98 kW;采用热导率为0.03 W/( m·K)的保温材料,保温深度1000 m时流体进出口温差为10.33 K,保温深度为2000 m时流体进出口温差为15.98 K,保温深度为3000 m 时流体进出口温差为17.93 K。实际工程中,可以采用各种材料组合安装的形式对采出井进行保温,保温重点为井深较小处,这样既能保证采出水温,又能节约成本。     

Experimental verifications of Mpemba-like behaviors of clathrate hydrates

The exact mechanism of the Mpemba effect of water was recently investigated microscopically and explained on the basis of the cooperative relationship between intramolecular polar-covalent bonds (O-H) and intermolecular hydrogen bonds (O:H). We posited that this relationship might exist in clathrate hydrates since they consist of hydrogen-bonded host water frameworks and enclathrated guest molecules. The formation of tetrahydrofuran (THF) hydrate, which is the simplest clathrate hydrate, was investigated by using differential scanning calorimetry and Raman spectroscopy. THF hydrates show the Mpemba effect at lower initial temperatures, but formation times were delayed at higher initial temperatures because the evaporated THF molecules should be liquefied to correspond to the stoichiometric concentration of guest molecules to form sII clathrate hydrates. However, even though the formation time was delayed at higher initial temperatures, the rates of heat emission during THF hydrate formation, measured in a bulk state, roughly increased as the initial temperature increased. Moreover, we observed that the O: H stretching phonons of water in the THF hydrate showed a blue shift, and the O-H stretching mode showed a redshift as temperature decreased. Both the rate of heat emission and the Raman shift of these two bonds imply that a cooperative relationship between the covalent bond and the hydrogen bond exists in THF hydrate as pure water. The formation kinetics of THF hydrate therefore might depend on its initial temperature, thus showing Mpemba-like behavior.     

金属基有机硅树脂涂层复合材料的导热性能

以锌粉为导热填充剂对环氧有机硅树脂进行改性,考察了改性环氧有机硅树脂涂层干膜中锌粉含量对涂层导热系数的影响,分析了涂层厚度对碳钢基材导热性能的影响. 结果表明,环氧有机硅树脂涂层的导热系数约为0.19 W/(m?K),其耐温能力在200℃以上,可保证涂层在中低温烟气余热回收换热器表层长期工作而不发生任何热反应;添加锌粉可改善环氧改性有机硅涂层的导热性能,涂层干膜锌粉25wt%时,涂层材料导热系数达0.35 W/(m?K),较未添加锌粉时增大了84%. 复合材料的导热系数随涂层厚度增加而下降,无涂层的碳钢导热系数为47.59 W/(m?K),涂层厚度为200 ?m时,导热系数降至34.33 W/(m?K).