【摘要】：熱能儲存技術(shù)作為一種行之有效的方法來提高能源利用效率,其主要是利用了介質(zhì)材料將暫時不用的余熱、廢熱、低品位熱能等其它能量儲存起來,以待需求時再使用,從而解決了能源的供需在時間和空間上的不匹配問題,以達到提高能源利用效率的目的。目前,熱能存儲的主要方式有潛熱存儲、顯熱存儲和化學(xué)熱存儲。然而,相變儲能因其具有儲能密度大、相變潛熱高以及相變過程易控制和近似恒溫的特點,而受到了廣泛的研究和關(guān)注。相變儲能技術(shù)的核心是相變材料,相變材料按其成分可分為有機相變材料、無機相變材料和混合相變材料。其中,無機相變材料因其價格低廉、來源廣泛、相變溫度適中以及較高的相變潛熱,而被應(yīng)用于太陽能、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑等領(lǐng)域。三水醋酸鈉(CH_3COONa·3H_2O,Sodium Acetate Trihydrate,簡稱SAT)以其合適的相變溫度、較大的相變潛熱、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和價格優(yōu)勢,成為了目前備受關(guān)注的無機相變材料。然而,無機相變材料都普遍存在的過冷傾向、相分離以及導(dǎo)熱系數(shù)小的問題,卻嚴(yán)重地限制了它的應(yīng)用。因此,如何有效的改善SAT的過冷和相分離問題,并提高其釋放熱速率,成為了本文主要的研究內(nèi)容。具體工作如下:(1)首先,實驗采用步冷曲線法,研究了純SAT在融化-凝固過程中的相變特性。結(jié)果得出,SAT融化完全后,置于環(huán)境溫度下冷卻至室溫也未凝固釋放潛熱,表明其具有極強的過冷傾向。其次,本文選用了幾種文獻中提出的材料作為成核劑,以改善SAT的過冷度,如:十二水磷酸氫二鈉(Na_2HPO_4·12H_2O)、九水硅酸鈉(Na_2SiO_3·9H_2O)、焦磷酸鈉(Na_4P_2O_7·10H_2O)、納米銅(Nano-Cu)。其中,根據(jù)大量文獻的報道,實驗選用羧甲基纖維素鈉(CMC)作為增稠劑,來改善SAT的相分離問題。結(jié)果表明,無機水合鹽成核劑自身存在的過冷和相分離問題以及金屬納米銅與空氣接觸易被氧化的化學(xué)性質(zhì),使其在SAT復(fù)合相變體系內(nèi)失去了穩(wěn)定的成核效果。(2)根據(jù)納米材料晶體結(jié)構(gòu)與SAT的相似性,實驗選擇了三種納米金屬氧化物:納米四氧化三鐵(Fe_3O_4)、納米氧化鐵(α-Fe_2O_3)、釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)分別作為SAT的成核劑,并添加CMC作為增稠劑,來協(xié)同改善SAT的過冷度和相分離問題。結(jié)果表明,添加三種納米材料作為成核劑,都能將SAT的過冷度控制在較小的范圍內(nèi)(0-0.1℃),且對強化復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性能有一定的提升效果(0.92%-22.5%)。此外,通過XRD分別表征了各復(fù)合相變材料的物相結(jié)構(gòu),顯示納米成核劑與SAT間僅為簡單的物理混合,并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。最后,復(fù)合相變材料在經(jīng)歷50次融化-凝固循環(huán)后,仍保持著較好的相變特性和循環(huán)穩(wěn)定性,說明這三種納米金屬氧化物是有效且穩(wěn)定的成核劑。(3)添加泡沫銅作為強化傳熱基體,研究了泡沫銅孔隙率對泡沫銅/YSZ/SAT復(fù)合相變材料過冷度及導(dǎo)熱性能的影響,結(jié)果表明,泡沫銅/YSZ/SAT復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性能隨著孔隙率的增加而增大,且泡沫銅/YSZ/SAT復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)相比于純SAT提高了5.9-9.4倍。此時,泡沫銅復(fù)合相變材料的過冷度在1.45-2.85℃之間,且其體積儲能密度高達448.6-473.0 MJ/m~3,是水的2.09-2.20倍。最后,泡沫銅復(fù)合相變材料在經(jīng)歷20次循環(huán)后,其過冷度仍被控制在1.9-3.3℃范圍內(nèi),表明該復(fù)合相變體系不僅具備優(yōu)良的導(dǎo)熱性能,同時也擁有穩(wěn)定的相變特性。本文首先分別對無機水合鹽和納米金屬單質(zhì)成核劑的成核效果及其自身的穩(wěn)定性進行了研究。其次,通過分析納米成核劑與SAT間晶體結(jié)構(gòu)的相似性,選擇了三種物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的金屬氧化物(Fe_3O_4,α-Fe_2O_3,YSZ)作為成核劑,研究了納米成核劑含量對SAT過冷度及導(dǎo)熱系數(shù)的影響。最后,通過比較選擇YSZ作為成核劑,金屬泡沫銅作為強化傳熱的基質(zhì),研究了其對于SAT過冷度和導(dǎo)熱性能的協(xié)同優(yōu)化效果,并對比分析得出泡沫銅/YSZ/SAT復(fù)合相變材料在工程應(yīng)用中的巨大潛力。
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK11

【參考文獻】

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本文編號：2720439