纳米复合相变材料的制备及新型组合式相变蓄热系统的特性研究

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3.0 高德中 2024-11-19 8 4 3.2MB 84 页 15积分

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摘要

能源是人类生活赖以生存的基本要素之一，也是当今社会，政治、经济、军

事、外交等关注的焦点。蓄能技术是提高能源利用率和保护环境的重要技术，可

用于解决热能供给与需求失配的矛盾，在民用建筑，空调节能，太阳能利用领域

也有广泛的应用前景。

本文为了解决有机相变材料导热系数低的问题，采用纳米材料，通过直接混

合法制备了纳米复合有机材料，并对其热物性进行了测试。同时提出了一种新的

组合式管板相变蓄热器模型，使用Fluent软件对其蓄热性能进行了数值研究。搭

建了测试组合式相变蓄热器性能的实验台，对所研究的相变蓄热器进行了实验验

证和误差分析。主要得到以下结论：

1. 采用金属纳米材料和石蜡直接混合的方法制备了纳米复合材料。当分散剂

Hitenol BC-10和纳米材料的质量比为 1:1，同时调节好合适的振荡频率和时间时，

纳米复合材料具有较好的稳定性。

2. 采用差示扫描量热法测量了纳米复合材料的相变起始温度、相变峰值温度、

相变潜热。测试结果发现，金属纳米颗粒的添加基本上对相变起始温度、相变峰

值温度无影响，但随着金属纳米颗粒含量的增加，复合材料的相变焓略有降低。

但并不影响将纳米复合材料用作相变材料。

3. 采用闪光导热仪对复合材料的导热系数进行了研究。实验发现，无论复合

材料是固态还是液态在添加任何一种纳米材料之后其导热系数都有所增加，但是

由于添加材料的不同导致了增加的比例也不尽相同，同时我们发现固态和液态的

增加比例也不相同。当纳米 Fe 颗粒含量为 0.3%时，液体的导热系数比纯石蜡提

高了 12%，固态提高了 24%；对不同温度下相变材料导热系数的研究表明在未发

生相转变时随温度升高相变材料的导热系数变化不明显，而当温度升至相变温度

区间时，相变材料的导热系数发生突增。

4. 提出了一种组合型的管板相变蓄热系统。采用 Fluent 软件对该系统进行了

数值建模，研究了不同热流体进口温度和速度对其蓄热性能的影响，并比较了与

单一型相变蓄热系统在相同工况下蓄热性能的差异。

5. 搭建了相变蓄热系统性能测试实验台。对进口热流体温度对蓄热系统的影

响进行了实验研究。将实验结果与数值模拟结果对比发现，两者的数据吻合的较

好，只有部分地方略有差异，对其造成的原因进行了分析。

关键词：相变蓄热；纳米复合蓄热材料；材料制备；蓄热系统；数值

模拟

ABSTRACT

Energy is one of fundamental elements in people`s life as well as focus of policy,

economy, military, diplomacy, and other fields in current society. Energy storage,

which can resolve the conflict between demand and supply of thermal energy, is an

important technology to improve utilization ratio of energy; and it has a broad applied

prospection in the field of civil building and condition energy conservation.

In order to solving the problem of low coefficient of thermal conductivity of

organic phase change materials (PCMs) , this paper tests its thermal physical property,

using Nanotechnology and direct mixed method to prepare for Nano organic materials.

Meantime, a new model of latent thermal storage system employing multiple PCM was

pointed out and the energy storage property of this new model was numerically studied

by Fluent in this paper. Additionally, building experiment platform for testing the

function of the latent thermal storage machine, this research also completed

experimental verification and error analysis. Following are main conclusions:

1. Nano composite material made by direct mix of metal nano materials and

paraffin. When the ratio of Hitenol BC-10 and nano materials is 1:1 and the frequency

and time of oscillating are suitable, nano composite material has a relative satisfying

stability.

2. It tested initial temperature, peak temperature, and latent heat of phase change

of nano composite material by means of DSC. The findings are the addition of metal

nano material has nearly no influence on initiate and peak temperature of phase change,

while enthalpy of phase change decreases somewhat.

3. The coefficient of thermal conductivity of composite was researched by the

instrument of flash thermal conductivity. The experiment found that the coefficient of

thermal conductivity of composite material, whether it is solid or liquid, experienced

an increase after adding any kind of nano material. However, different addition leads

to different increasing rate; what`s more, the increasing rate of solid is different from

what of liquid. When the content of Fe is 0.3 wt%, the coefficient of thermal

conductivity of liquid and solid rose 12% and 24%, respectively, compared with the

condition of pure paraffin. The investigation, related to the coefficient of thermal

conductivity of PCM under different temperatures, explicated that the coefficient of

thermal conductivity changes indistinctively with increasing temperature when phase

change was not happened, whereas it will lead to uprush when the temperature rises to

phase change interval.

4. This paper points out a latent thermal storage system employing multiple PCM.

The system is conducted a numerical model by Fluent to research the influence of inlet

temperature and speed of different thermal fluids on its function of thermal storage and

to compare the difference of thermal storage conditions between the singled and the

combined.

5. The experimental platform, which is to test the function of the system of phase

change thermal storage, is set up to research the influence of inlet temperature of

thermal fluid on thermal storage system. With the comparison of test results and

numerical simulation results, it can be found that both of the data are relatively

anastomosing, and the differences only exist in few parts. Based on that, this paper

analyzes the reason for why these differences could cause.

Keywords: phase change thermal storage；nano composite thermal

storage material； heat storage system；material preparation；

numerical simulation

摘要 .............................................................. I

ABSTRACT ........................................................... II

第一章绪论 ........................................................ 1

§1.1 研究背景和意义 ............................................. 1

§1.2 蓄能技术 ................................................... 2

§1.2.1 蓄能技术概述 ......................................... 2

§1.2.3 相变蓄能系统的基本要求 ............................... 5

§1.3 国内外相变储能技术的研究进展 ............................... 5

§1.4 本文的主要研究内容 ......................................... 9

第二章纳米复合材料制备 ........................................... 10

§2.1 相变材料的选择 ............................................ 10

§2.1.1 石蜡的特点 .......................................... 11

§2.1.2 纳米材料的特点 ...................................... 12

§2.2 纳米复合材料的制备 ........................................ 13

§2.2.1 纳米复合材料制备的理论基础 .......................... 13

§2.2.2 实验仪器与试剂 ...................................... 14

§2.2.3 制备方法 ............................................ 14

§2.2.4 纳米复合材料制备的影响因素分析 ...................... 16

§2.3 纳米复合材料的相变温度和相变焓的测定 ...................... 18

§2.4 纳米复合材料的导热系数测定 ................................ 25

§2.5 本章小结 .................................................. 30

第三章固-液相变问题的数学模型及处理 .............................. 31

§3.1 固-液相变传热问题特征 ..................................... 31

§3.2 固-液相变传热问题的数学模型 ............................... 31

§3.3 数学模型求解前的简化处理 .................................. 32

§3.4 固-液相变传热问题的求解方法 ............................... 33

§3.4.1 分析法 .............................................. 34

§3.4.2 数值法 .............................................. 36

§3.5 管板相变蓄热器传热特性 .................................... 38

§3.6 本章小结 .................................................. 41

第四章数值模拟与结果分析 ......................................... 42

§4.1 Fluent 软件处理相变问题 ................................... 42

§4.1.1 Fluent 软件简介 ...................................... 42

§4.1.2 处理相变问题的功能及限制 ............................ 42

§4.2 计算参数的选取 ............................................ 43

§4.2.1 网格划分 ............................................ 43

§4.2.2 松弛因子的选择 ...................................... 44

§4.2.3 石蜡热物参数的设定 .................................. 44

§4.3 相变蓄热系统的数值模拟 .................................... 44

§4.3.1 模拟工况和观测点 .................................... 44

§4.3.2 数值模拟结果与分析 .................................. 46

§4.4 本章小结 .................................................. 63

第五章组合型相变蓄热系统的搭建与实验研究 ......................... 65

§5.1 组合型相变蓄热系统的搭建 .................................. 65

§5.1.1 实验台的结构 ......................................... 65

§5.1.2 组合型相变蓄热系统结构 .............................. 65

§5.1.3 实验台的恒温系统和数据采集系统 ...................... 66

§5.1.4 实验台的搭建 ........................................ 67

§5.2 组合型相变蓄热系统的实验 .................................. 68

§5.2.1 实验流程及方案 ...................................... 68

§5.2.2 实验结果与分析 ...................................... 68

§5.3 本章小结 .................................................. 71

第六章总结与展望 ................................................. 73

§6.1 论文总结 .................................................. 73

§6.2 工作展望 .................................................. 73

参考文献 ........................................................... 75

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 80

致谢 .............................................................. 81

第一章绪论

§1.1 研究背景和意义

能源是人类生活赖以生存的基本要素之一，也是当今社会，政治、经济、军

事、外交等关注的焦点。随着各国经济的持续发展，对于能源的需求也呈现持续

增长的趋势。但是值得注意的是，因为无节制的开发和燃烧所带来的环境污染和

生态破坏，对人类的生存和发展已构成了严重威胁；同时，矿物燃料本身蕴藏有

限，长此以往终将枯竭。因此，能源的可持续利用及与之相关的环境成为全球各

国最为关注的热点，各国都从本国的国情出发来解决能源与环境问题。对我国来

说，能源问题面临挑战尤为严重，主要表现在以下几个方面[1]：

1.能源总量需求压力巨大

截止2010年的数据，我国总体能源消耗量已经占到世界消耗总量的五分之一，

而GDP却不足世界的十分之一。这些数据进一步表明，我国的能源人均消耗水平

与世界平均水平基本相当，但人均GDP水平仅仅是世界平均水平的50%。预计到

2020年，能源消耗量还将增长一倍，能源的需求将远远大于GDP的发展水平。

2.液体燃料短缺

目前在世界能源产量中，高质量的液体、气体能源约占60.8%，而我国仅为

19.1%。我国的石油大部分依赖国外进口，依赖度已从40%上升到50%~60%，成

为世界第三大石油进口国。另据资料显示，按目前的开采水平，我国石油资源和

东部的煤炭资源将在2030年耗尽，水力资源的开发也将达到极致。

3.环境污染严重

由于受自然资源等客观条件的限制，我国的能源消费结构并不合理，煤炭一

直是我国第一大能源消耗品，占据能源消耗总量的75%左右，过多地运用煤炭使

得我国的环境问题更加的雪上加霜。目前，我国大约有30%~40%的地区（尤其是

西南地区）出现过酸雨现象，而呼吸系统疾病的发病率也不断增加。

4.温室气体排放

目前全球每年排放250多亿吨CO2，自工业化以来，空气中的CO2浓度，已从

280ppm增加至380ppm，目前仍以每年3ppm的速度增长。由于经济的高速发展，

我国也已成为全球温室效应的受害国家之一。2002年，我国成为了《京东议定书》

的第37个签约国，如何分阶段分步骤的开展和落实节能减排战略已经成为当今中

国走可持续发展道路的重要组成部分。

5.八亿农民及城镇化所需能源的供应

目前中国能源分配结构依旧十分不合理，仍然有相当部分的农村人口没有办

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摘要：

摘要能源是人类生活赖以生存的基本要素之一，也是当今社会，政治、经济、军事、外交等关注的焦点。蓄能技术是提高能源利用率和保护环境的重要技术，可用于解决热能供给与需求失配的矛盾，在民用建筑，空调节能，太阳能利用领域也有广泛的应用前景。本文为了解决有机相变材料导热系数低的问题，采用纳米材料，通过直接混合法制备了纳米复合有机材料，并对其热物性进行了测试。同时提出了一种新的组合式管板相变蓄热器模型，使用Fluent软件对其蓄热性能进行了数值研究。搭建了测试组合式相变蓄热器性能的实验台，对所研究的相变蓄热器进行了实验验证和误差分析。主要得到以下结论：1.采用金属纳米材料和石蜡直接混合的方法制备了纳米复合材...

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