硬脂酸基复合相变储能材料的制备、热性能及数值模拟研究

相变储能技术由于具有储能密度大、相变过程近似恒温、稳定性好和成本低等优点,在太阳能热利用、建筑节能、电力调节、工业余热回收和航空航天等领域被广泛的应用。硬脂酸(SA)作为目前研究工作者最受关注的有机固-液相变储能材料之一,具有相变潜热高、相变温度可调、稳定性好、过冷度小、无腐蚀和蒸气压低等优点,但其仍存在相变温度单一、导热性能差和液相泄漏等缺陷。为了拓宽SA的相变温度范围和筛选出性能优异、适合实际应用的相变储能材料,本文通过熔融共混法将SA分别与3种二元羧酸、3种烷酰胺和2种芳香酰胺进行混合,建立了SA-己二酸(ADA)、SA-辛二酸(SUA)、SA-癸二酸(SEA)、SA-丁酰胺(BTA)、SA-己酰胺(HA)、SA-辛酰胺(OTA)、SA-苯甲酰胺(BA)和SA-乙酰苯胺(AA)8种二元混合体系,制备了许多具有不同相变温度的复合相变储能材料。利用差示扫描量热仪(DSC)对这些体系的相变行为和热物性进行了分析,绘制了这些二元体系的相图和塔曼图,并结合理论计算确定了各体系的共晶点。然后采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X-射线衍射仪(XRD)、同步热分析仪(TG)和导热系数仪等对共晶混合物的结构、导热性能和热稳定性等进行测试和表征。结果表明:这8个二元体系均为共晶体系,且它们共晶混合物的相变温度和相变潜热分别在341.03~342.45 K和176.62~220.04 J·g~(-1)范围内;二元羧酸、烷酰胺和芳香酰胺与SA的混合后,SA的热稳定性被提高;100次升降温循环后,共晶混合物的相变温度和相变潜热没有发生明显变化;根据实际应用要求,最后筛选出SA-BA和SA-AA共晶混合物作为本论文增强其导热性能和克服其液相泄漏问题研究的基体材料,这两个体系共晶点处SA的摩尔分数分别为0.757和0.810。为了强化筛选出的共晶混合物的导热性能和克服其液相泄漏问题,以共晶混合物作为相变储能材料,膨胀石墨(EG)作为强化传热剂和载体材料,采用物理吸附法制备了SA-BA/EG和SA-AA/EG复合相变储能材料,利用扫描电子显微镜(SEM)和热常数分析仪等研究了其微观形貌、结构和液相泄漏情况、以及EG的加入对共晶混合物的热物性、热稳定性和导热性能的影响。结果表明:EG丰富的多孔结构对液态共晶混合物具有较好的吸附效果,缓解了共晶混合物的液相泄漏问题;共晶混合物在EG中的饱和吸附量为88 wt.%;EG的含量与复合相变储能材料的相变潜热值呈反比关系,但对其相变温度影响较小;随着EG的增加,复合材料的导热性能逐渐增大,EG含量为12 wt.%的SA-BA/EG和SA-AA/EG复合相变储能材料的导热系数较它们对应的共晶混合物分别提高了约11和15倍。为了进一步优化SA-BA/EG复合相变储能材料的性能,利用多种导热填料复合杂化技术通过超声法在含有多孔EG的复合材料中添加纳米氮化硼(BN),制备了新型SA-BA/BN/EG复合相变储能材料,并对其表观形貌、结构、热物性、导热性能和热稳定性进行了研究。结果表明:EG将SA-BA共晶混合物均匀的吸附到孔道结构中,且BN分散在其表面;BN的添加进一步改善了SA-BA/EG复合相变储能材料的泄漏情况,有效的解决了共晶混合物的液相泄漏问题;BN的加入进一步提高了SA-BA/EG复合相变储能材料的导热性能,BN含量为20wt.%的SA-BA/20BN/20EG复合相变储能材料的导热系数较SA-BA/20EG复合材料提高了11.29%;同时,BN的加入有助于降低SA-BA/EG复合相变储能材料的过冷度和提高其循环稳定性,但不利于增加复合材料的相变潜热;所制备的复合相变储能材料具有可观的储热能力和较好的循环稳定性,当BN和EG的含量均为20 wt.%时,复合相变储能材料的熔融潜热仍能高达120.75 J·g~(-1),100次循环后,复合材料的相变温度和相变潜热变化均小于1%。为了研究SA-AA共晶混合物和SA-AA/12 wt.%EG复合相变储能材料的蓄放热特性、传热机理以及EG的添加对SA-AA共晶混合物传热效率的影响,以SA-AA共晶混合物和SA-AA/12 wt.%EG复合相变储能材料为储热介质,设计并搭建了一套相变蓄放热系统,利用Fluent软件并结合实验测试方法对它们在蓄热单元内的蓄/放热性能进行了实验和数值模拟研究。结果表明:共晶混合物在相变过程中存在显著的自然对流现象;蓄热过程中,共晶混合物和复合相变储能材料分别是以对流和导热换热方式传递热量,而放热过程中,这两种材料都是以导热形式为主进行热量传递;EG能显著提高复合相变储能材料的传热速率;共晶混合物和复合相变储能材料实验与模拟的升/降温曲线变化趋势非常吻合,说明数值方法对实际蓄/放热过程中材料的相变传热规律和相变过程机理的研究具有一定的指导作用。