碳纤维导热型低温相变材料蓄热电暖器蓄放热性能实验研究

使用膨胀石墨、碳纤维与石蜡研制出复合型相变蓄能材料,利用膨胀石墨、碳纤维作为高导热材料与结构支撑材料;通过物性参数遴选、结构参数优化设计方法,搭建高导热性能的复合相变材料蓄热电暖器实验台;研究不同蓄放热运行工况下该装置的蓄放热性能。研究结果显示,与日间主动式放热工况相比,日间被动式放热工况放热速率衰减较慢,被动式放热工况的最低放热速率比主动式放热工况最低放热速率高24. 7%。该装置可以利用主/被动放热方式调节蓄放热速率,满足不同房间的供热需求。在夜间蓄热、日间放热的运行工况下,该相变蓄热电暖器所在房间温度波动较小,具有较好热舒适性。该蓄热电暖器蓄热效率达67%,能充分利用夜间低谷电蓄热,实现降低运行费用的目的。     

新型生土材料调湿性能及导热性

使用膨胀石墨、碳纤维与石蜡研制出复合型相变蓄能材料,利用膨胀石墨、碳纤维作为高导热材料与结构支撑材料;通过物性参数遴选、结构参数优化设计方法,搭建高导热性能的复合相变材料蓄热电暖器实验台;研究不同蓄放热运行工况下该装置的蓄放热性能。研究结果显示,与日间主动式放热工况相比,日间被动式放热工况放热速率衰减较慢,被动式放热工况的最低放热速率比主动式放热工况最低放热速率高24. 7%。该装置可以利用主/被动放热方式调节蓄放热速率,满足不同房间的供热需求。在夜间蓄热、日间放热的运行工况下,该相变蓄热电暖器所在房间温度波动较小,具有较好热舒适性。该蓄热电暖器蓄热效率达67%,能充分利用夜间低谷电蓄热,实现降低运行费用的目的。     

散热器供暖相变蓄热材料的性能实验

针对相变蓄热应用于散热器供暖存在的问题,开展以石蜡为相变蓄热基体,以膨胀石墨为强化传热载体的复合相变蓄热材料性能的实验研究.制备石蜡/膨胀石墨复合相变材料时,以相变温度64℃的石蜡为基体,加入膨胀石墨强化传热性能.实验研究表明:质量分数为3.0%的50目膨胀石墨蠕虫可以有效提高材料热导率;在相变蓄热水箱中,加入质量分数为3.0%的50目膨胀石墨蠕虫后,相变材料蓄放热时间缩短了50%;质量分数为3.0%的50目膨胀石墨试样的相变潜热值为203.1 J·g~(-1).     

三水合醋酸钠/膨胀石墨复合相变材料的制备及其储热性能

水合盐储能材料普遍存在热导率低、过冷度大及相分离问题.本文通过熔融共混制备了以三水合醋酸钠(SAT)为主体的复合相变材料(CPCM).采用膨胀石墨(EG)作为高导热添加物强化导热系数,同时作为成核剂改善其过冷度问题.采用黄原胶(XG)为增稠剂改善复合相变材料的相分离问题.研究了复合相变材料的导热性能、相变性能及热稳定性,并基于该复合相变材料(SAT/EG/XG)搭建了高储热密度的相变储热器,研究了该装置在85℃热源、20℃冷源下的储放热性能.结果表明:膨胀石墨的加入可明显增强热导率及消除过冷度.添加2%～4%(质量分数)膨胀石墨,复合相变材料热导率可达1.12～1.81 W/(m·K),为纯SAT热导率的2～3倍,且添加0.5%～1.2%(质量分数)黄原胶可明显抑制相分离.复合相变材料具有很好的热稳定性,50次循环后其熔化温度保持在58.0℃左右,凝固温度稳定在57.6℃左右,无明显过冷度,相变焓为250～255 kJ/kg.基于该复合相变材料的储热器的储热密度可达442.7 kJ/L,是传统水箱的1.7倍,储放热效率达96.4%,具有明显的储热优势.     

约束条件下石蜡-膨胀石墨复合相变材料热膨胀实验

采用水浴加热石蜡—膨胀石墨复合相变材料热膨胀压力试验装置,测试了约束条件下纯石蜡以及膨胀石墨质量分数分别为5％和10％的石蜡—膨胀石墨复合相变材料的膨胀压力.实验表明膨胀石墨的加入明显改善了石蜡—膨胀石墨复合相变材料的导热性能,使复合相变材料中石蜡的相变提前发生.膨胀石墨质量分数为5％和10％时,相变时间范围较纯石蜡相变时间分别缩短了30％和40％.膨胀石墨质量分数为5％时,石蜡—膨胀石墨复合相变材料产生的最大膨胀压力比纯石蜡相变产生的最大膨胀压力提高了25％,最大膨胀压力可达87.3 MPa.将石蜡—膨胀石墨复合相变材料用作驱动材料是切实可行的.     

基于分形的多孔介质复合相变材料的储热特性

本文利用膨胀石墨和纳米颗粒来强化相变储热系统的传热性能。在膨胀石墨基体中填充含纳米颗粒的相变材料,用焓-孔隙度法模拟材料的相变过程。针对不规则的膨胀石墨孔隙结构,用三维W-M分形函数修正膨胀石墨孔隙率波动,以研究不同的孔隙率和有效导热系数比对固态显热蓄热阶段相变材料熔融速率的影响。在液态显热蓄热阶段时探讨膨胀石墨孔隙率以及纳米颗粒体积分数对相变储热系统中对流传热的影响。研究结果表明,分形分布的孔隙结构能有效地抑制纳米颗粒的自由运动从而降低了纳米颗粒的局部团聚的可能性,所以利用三维W-M分形函数修正的膨胀石墨比采用平均孔隙率能更好地模拟相变材料的熔融速率。在固态显热蓄热阶段,膨胀石墨孔隙率为0.8的相变材料熔融速率比孔隙率为0.85和0.9显著增加,另外,膨胀石墨与纳米颗粒-相变材料的有效导热系数比为100的熔融速率也明显比有效导热系数比为80和60的快。当相变材料处于液态显热蓄热阶段时,其在膨胀石墨孔隙中产生对流,对流传热速率随着膨胀石墨的孔隙率增大而增大,纳米颗粒体积分数的增加也会提高对流传热速率。     

太阳能相变炕影响因素分析及热工性能模拟

本文设计了一种太阳能热水供热与相变蓄热组合的热炕供热系统,为提高蓄热炕的热响应,配置了高导热复合相变材料,利用数值模拟对炕体单元进行三维非稳态瞬态传热模拟。通过控制变量法,对太阳能相变蓄热炕的相变材料导热系数、相变温度、相变潜热等炕体热工特性影响因素进行模拟分析,得出:相变材料导热系数、供水温度、相变潜热对相变炕的热响应时间影响显著,且相变潜热决定放热时长,相变温度、相变温度范围对相变炕的垫面温度有明显影响。最后,以十二水磷酸氢二钠复合相变材料作为炕体的蓄热材料,对炕体进行蓄放热模拟设计,发现垫面温度昼间可达到17.1 ℃,夜间可达到30.3 ℃,可以很好地满足居民的热舒适要求。     

高温套管式熔融盐相变蓄热器蓄热性能实验研究

为揭示高温熔融盐相变蓄热器的蓄放热特性,并进一步提高其蓄热性能,搭建了高温梯级熔融盐相变蓄热实验台(最高蓄热温度可达800℃),对高温套管式熔融盐相变蓄热器开展了蓄/放热性能实验研究。首先选择蓄热性能优良的二元碳酸盐作为高温相变蓄热材料,测试了其热物性;其次实验研究了高温套管式熔融盐相变蓄热器的总蓄/放热时间、平均蓄/放热速率以及蓄热效率等蓄/放热性能。结果显示:相变蓄热材料的熔化过程存在着非均匀性;在放热过程中,位于不同位置的相变蓄热材料存在着不同程度的过冷现象。最后,实验研究了在熔融盐侧添加环形肋片对高温熔融盐相变蓄热器的蓄/放热性能的强化效果,以及空气温度、质量流量等运行参数分别对光管和肋片管相变蓄热器总蓄/放热量、平均蓄/放热速率以及蓄热效率的影响。结果显示,在添加肋片后,相变蓄热材料温度分布更加均匀,蓄热过程结束时相变蓄热材料的最大温差由51.1℃下降到43.2℃,下降了15.4%,高温相变蓄热器的平均蓄热速率与平均放热速率分别增加了6.8%和9.1%。实验结果可为后续高温梯级熔融盐相变蓄热器的性能研究以及实际应用提供参考。     

石蜡/膨胀石墨复合相变材料耦合热管电池热管理性能研究

为了改善相变材料用于电池热管理导热率较低的问题,制备了不同含量的石蜡（Paraffin, PA）-膨胀石墨（Expanded Graphite, EG）复合相变材料,在相变储能单元中使用PA-EG复合相变材料包裹热源并耦合热管增强其散热能力。使用方形发热源模拟高密度能量电池充放电时的发热,在不同发热功率下探究不同EG含量的PA-EG复合相变材料耦合热管的热管理性能。实验结果表明,发热功率较低时,各相变材料热管理性能相当,发热功率较高时,更高的EG含量将带来更高的导热率以及更好的热管理效果。在EG含量为5%时,PA-EG复合相变材料导热率可提高至纯石蜡的6.36倍,实验中最大降温幅度可达7.6%,相变储能单元中温差峰值为纯石蜡散热系统温差峰值的37.7%。当EG含量较低时,PA-EG复合相变材料未熔融时呈现固态,导热率呈现各向同性,但当PA熔融后,PA-EG复合相变材料总体呈现液态,出现较强的自然对流换热,将导致储能单元内温度分布不均,容易导致电池表面温度不均产生应力,因此EG含量不宜低于5%。     

方腔蓄热模型优化及蓄热过程数值模拟研究

为研究方腔式蓄热单元内有机相变材料融化过程的传热规律，数值模拟了不同体积分数石墨烯纳米片填充下复合相变材料融化过程的液相分数和努塞尔数的变化；针对方腔蓄热单元热量在顶端聚集的问题，构建了分层模型，模拟了不同模型中复合相变材料的融化过程。结果表明：当石墨烯纳米片体积分数分别为1%、3%和5%时，复合相变材料完全融化时间分别为32.1、20.0、17.5 min,与纯质石蜡相比，融化时间分别缩短了70.47%、81.62%和83.92%;方腔上下等分时，融化时间相比于未分层时缩短11.88%;将方腔上下部分别填充体积分数1%与5%的复合相变材料，相比于未分为层时，整体填充3%的复合相变模型融化时间缩短了25.83%。由模拟结果可得，在石蜡中添加石墨烯纳米片可以使其导热性能有很大程度的提高，同时黏度增长程度较小，对自然对流产生的影响也比较小。综合考虑可以发现，在石蜡中添加石墨烯纳米片可以强化其传热性能；分层模型可以缩短相变材料融化时间，合适的填充方案能够进一步加快矩形方腔的融化过程。     

石蜡/膨胀石墨复合相变材料的结构与热性能

以有机物石蜡为相变材料、膨胀石墨为支撑结构，利用膨胀石墨的多孔吸附特性，制备出了石蜡含量分别为50％（质量分数，下同），60％，70％和80％的石蜡／膨胀石墨复合相变储热材料．采用扫描电镜（SEM）和差示扫描量热分析（DSC）对复合相变储热材料的结构和热性能进行了表征．结果表明：膨胀石墨吸附石蜡后仍然保持了原来疏松多孔的蠕虫状形态，石蜡被膨胀石墨微孔所吸附；复合相变储热材料的相变温度与石蜡相似，其相变潜热与基于复合材料中石蜡含量的潜热计算值相当．储（放）热性能测试结果表明，含80％石蜡的复合相变储热材料其储热时间比石蜡减少69．7％，放热时间减少80．2％．     

泡沫石墨作为相变储能材料填充物的研究

以石蜡为相变材料、泡沫石墨为支撑结构,文章利用泡沫石墨的多孔吸附特性,采用多次真空灌注方法制备了泡沫石墨/石蜡复合相变储热材料。采用Hot Disk热常数分析仪和差示扫描量热分析(DSC)对复合相变储热材料的热性能进行了表征。结果表明,石蜡充分吸附到泡沫石墨的蜂窝状微孔中,泡沫石墨的填充极大地强化了相变材料的导热能力;复合相变储热材料的相变温度与石蜡相似,其相变潜热与基于复合材料中石蜡含量的潜热计算值相当。设计了储能过程实验,并与纯石蜡试件进行了对比;储热性能测试结果表明,复合相变储热材料的储热速率比纯石蜡有了极大的提高。     

石蜡和石墨复合相变材料的导热性能研究

石蜡作为相变材料的不足之处在于石蜡的导热系数低.为了改善石蜡的导热系数,实验利用导热系数较大的石墨和具有较高储热能力的石蜡制备出复合相变储能材料,分析了储热、放热过程中,石墨对石蜡传热特性及相变的影响.结果表明:石墨的掺入增加了复合材料的导热速率,减小了传热的波动性;复合材料的相变时间明显提前,固液相界面的移动加快,相变时间范围明显缩短,而相变温度区间基本不变.     

相变蓄热材料导热系数对太阳能通风墙性能的影响

通过对相变蓄热型太阳能烟囱模型通风蓄放热变化过程的计算,分析比较不同相变蓄热墙导热系数对太阳能烟囱性能的影响.计算结果表明:吸热板最大表面温度随着相变蓄热墙导热系数的增大越接近相变蓄热墙的相变温度;蓄热阶段,入口平均风速随着相变蓄热墙导热系数的增大而减小;放热阶段,入口平均风速随着相变蓄热墙导热系数的增大反而越大;相变蓄热墙导热系数越大,蓄热型太阳能烟囱系统16 h的累计通风量越高,但在导热系数增大到0.66 W·(m·K)^-1后,再增大材料导热系数,累计通风量几乎不再增加.     

复合相变储能砂浆的制备及其性能研究

以工业石蜡为相变芯材,通过真空吸附法和硅酸钙外壳封装法制备石蜡/膨胀珍珠岩复合相变材料和复合相变储能砂浆.利用SEM和差示扫描量热法分析了石蜡/膨胀珍珠岩相变材料的形貌和蓄热能力,测试了复合相变储能砂浆的抗压强度、干表观密度、导热系数和三维条件下材料温度时间响应关系.结果表明,经硅酸钙外壳封装后石蜡/膨胀珍珠岩相变材料中石蜡的含量约为55.47%时,相变温度和相变潜热分别为35.59℃和96.77J/g;复合相变储能砂浆的28d抗压强度,干表观密度和导热系数分别为8.0MPa,1 678kg/m~3和0.46W·m~(-1)·K~(-1),在外界温度变化时,复合相变储能砂浆相对于传统砂浆材料具有升温和降温速度变化平缓,可用作保温砂浆.     

纳米TiO2 /石蜡复合乳状液相变材料的 制备与传热性能

蓄冷空调性能及制冷系数与相变材料密切相关.将石蜡复合乳状液作为分散介质,以纳米TiO_2粒子作为导热载体,采用低能乳化工艺微乳液转相法,制备出纳米TiO_2/石蜡复合乳状液相变材料,并对其分散稳定性、导热系数和蓄-放热循环稳定性进行了分析.研究结果表明:纳米TiO_2/石蜡复合乳状液相变材料的导热系数相对于纯石蜡乳状液的导热系数有明显提高,当纳米TiO_2粒子质量分数为0.15%时,纳米TiO_2/石蜡复合乳状液相变材料的导热系数比纯石蜡乳状液的导热系数提高了117.95%;TiO_2/石蜡乳状液固-液相变热循环过程中并无明显温度平台,而且其蓄-放热循环稳定性很好.该纳米TiO_2/石蜡复合乳状液相变材料有望应用于蓄冷空调,以提高蓄冷空调性能及制冷系数.     

相变蓄热水箱蓄热性能数值模拟研究

在封闭静止的蓄热水箱中添加相变材料可以增加水箱热容量、延长水箱升温时间。分别建立了有、无相变单元蓄热水箱的物理模型，利用有限体积分析法对蓄热水箱加热过程进行数值模拟，探讨了封闭水箱加热过程中相变单元的熔化规律和相变单元对水箱温升的影响规律。研究结果表明相对于纯水蓄热水箱，当蓄热水箱中加入占水箱容积9.05%（体积分数）的相变单元、其平均温升29 K时，蓄热水箱的整体热容量提高了25.58%，加热时间延长了1 100 s；蓄热水箱内只在垂直方向上存在热分层，导致含有相变单元的蓄热水箱较高位置处的相变单元先熔化，降低了较高位置处水的温升速率，使得相变蓄热水箱和纯水蓄热水箱的热分层剧烈程度存在差别；以最大温差值作为判断水箱热分层剧烈程度的依据，不同加热功率下相变蓄热水箱的热分层特征变化规律大致相同，但加热功率越大，热分层现象越剧烈。     

石蜡/膨胀石墨复合相变材料控温电子散热器的性能

为了提高电子器件抗热冲击的能力、保证电子器件运行的可靠性和稳定性,以石蜡为相变储能材料、膨胀石墨为支撑材料,采用物理吸附法制备石蜡/膨胀石墨复合相变材料,将其应用于电子器件的热管理中,并通过模拟芯片实验研究了石蜡/膨胀石墨复合相变材料控温电子散热器的性能.结果表明:石蜡质量分数为90%的复合相变材料的导热系数相比于纯石蜡(0.3608 W/(m.K))提高了约4倍;相变材料填充于散热器中,可有效降低模拟芯片的升、降温速率,延长散热器的控温时间;当芯片发热功率为15和20W时,散热器填充复合相变材料后的控温时间较填充前分别提升了59%和20%,可降低电子器件因温度瞬间升高而烧坏的可能性,实现对电子器件的保护.     

金属泡沫/石蜡复合相变材料融化传热特性的可视化实验研究

为了探究不同厚度的金属泡沫铜对石蜡融化过程的影响,设计搭建了可视化相变蓄热实验台,制备了不同厚度的金属泡沫铜复合相变材料,通过实验对比研究了纯相变材料和添加不同厚度金属泡沫铜的复合相变材料的融化界面变化和内部温度分布,分析了不同厚度的金属泡沫铜对换热强度的影响。实验结果表明：在纯相变材料融化过程中自然对流起主导作用,5 mm厚的金属泡沫铜促进了上部的石蜡自然对流,10、15、20 mm的金属泡沫铜抑制了石蜡的自然对流;金属泡沫铜的厚度越高,导热强度越大;对流作用强度和导热作用强度二者呈现出负相关的关系;当金属泡沫铜厚度为14 mm时,导热换热强度和对流换热强度相当。     

金属泡沫/石蜡复合相变材料融化传热特性的可视化实验研究

为了探究不同厚度的金属泡沫铜对石蜡融化过程的影响,设计搭建了可视化相变蓄热实验台,制备了不同厚度的金属泡沫铜复合相变材料,通过实验对比研究了纯相变材料和添加不同厚度金属泡沫铜的复合相变材料的融化界面变化和内部温度分布,分析了不同厚度的金属泡沫铜对换热强度的影响。实验结果表明：在纯相变材料融化过程中自然对流起主导作用,5 mm厚的金属泡沫铜促进了上部的石蜡自然对流,10、15、20 mm的金属泡沫铜抑制了石蜡的自然对流;金属泡沫铜的厚度越高,导热强度越大;对流作用强度和导热作用强度二者呈现出负相关的关系;当金属泡沫铜厚度为14 mm时,导热换热强度和对流换热强度相当。