高温复合相变材料的导热强化方法、热循环稳定性及储放热特性的研究

【作者】 李月锋； 张东；

【机构】 同济大学材料科学与工程学院； 上海应用技术学院理学院；

【摘要】 高温相变材料（HTPCM）储能密度大,储热效率和热品质高,因此HTPCM是高温储热应用中最佳的载能储能介质。然而HTPCM的应用仍面临一些问题,如HTPCM导热系数低、高温熔盐PCM热循环稳定性研究数据缺乏,HTPCM动态储放热行为还缺乏系统的研究。基于此,开展了以下研究工作:（1）以熔盐PCM为基体,按合适的比例添加膨胀石墨（EG）,制备EG/熔盐复合相变材料（CPCM）。先后制备了EG/NaNO₃-LiNO₃、EG/LiCl-NaCl CPCM和EG/Li₂CO₃-Na₂CO₃ CPCM。实验结果表明,增加EG含量,CPCM的导热系数会不断增大,但CPCM的相变潜热会相应减少;同时成型压力可以显著增加CPCM的导热系数,对CPCM导热系数的各向异性有重要影响。（2）通过热循环实验研究了EG/Li₂CO₃-Na₂CO₃ CPCM的热稳定性。对EG/Li₂CO₃-Na₂CO₃ CPCM分别进行了1010次热循环,并分析了其温度、潜热及导热性能等热物理性能的动态变化。分析实验结果可知,热循环后试样相变潜热略有下降;其相变温度也有波动,但其化学组分变化不大,EG为10%（质量分数）的CPCM导热效果最好。（3）以EG/Li₂CO₃-Na₂CO₃（5:95）作为储热介质设计制备了8种不同结构的管壳式高温相变储热单元,以研究HTPCM的储放热行为。加热过程中,各温度曲线出现了明显的分离,在靠近热源部分出现了过热熔化现象。在降温过程中,各温度曲线变化趋势一致,在纵向方向上,温度呈层状分布。加热功率越大,其升温速率越快,靠近热源的中心区和远离热源的边缘区温差越大,但温差持续时间较短,并且其储热效率越高。热交换空气流量越大,其放热效率也越高。（4）利用fluent软件熔化-凝固模块,模拟计算了大体积相变储热单元的储放热过程。重点分析了相变储热单元内部温度场随时间和空间的分布情况、储能量和放能量随时间的变化情况、储能功率和放能功率随时间的变化情况,并且讨论了加热功率、导热系数、加热面积大小、容器大小、散热功率大小等对储能（功率）和放能（功率）的影响。更多还原