球形容器內(nèi)納米復合相變材料凝固傳熱過程的定量研究.pdf

1、熱能作為生產(chǎn)生活中最普遍且可以直接利用的能源形式之一，常常伴隨著各種能源轉(zhuǎn)換和利用過程。熱能存儲可以有效解決能源在時間和空間上的供求不匹配，因此成為了提高能源利用效率的關(guān)鍵手段。相變儲熱是利用相變材料在物態(tài)變化的過程中，吸收或釋放大量潛熱而進行的，具有儲能密度高、吸放熱過程中溫度幾乎不變等優(yōu)點。常用的有機相變材料雖然具有較大的比熱容和相變潛熱，但是其導熱系數(shù)低、換熱性能差等缺點成為了制約實際應用的主要因素。為了提高潛熱儲能系統(tǒng)的換熱效率

2、，在相變材料中添加具有高導熱系數(shù)的納米顆粒，是一種常見的強化傳熱手段。
　　在實際應用中，球形容器常被用于堆積床式潛熱儲能系統(tǒng)的儲熱單元。為了研究堆積床式的潛熱儲能系統(tǒng)中能量的吸收和釋放，研究單個球形容器內(nèi)的熔化和凝固換熱過程則顯得尤其重要。因此，本文針對相變材料向內(nèi)凝固過程難以實現(xiàn)可視化的問題，提出了一種基于體積收縮定量研究球形容器內(nèi)相變材料凝固換熱過程的實驗方法，同時通過制備不同質(zhì)量分數(shù)的納米復合相變材料，研究了高導熱系數(shù)的納

3、米顆粒對相變材料的強化傳熱影響。
　　本文以十四醇（熔點37℃）為相變材料，采用“兩步法”制備了石墨烯納米片質(zhì)量分數(shù)分別為0％、0.5%、1.0%、3.0%的復合相變材料，并對納米復合相變材料的熱物性，包括導熱系數(shù)、相變焓、相變溫度、比熱容、密度以及粘度等進行了測試。
　　本文提出的間接實驗方法，通過在球形容器內(nèi)部插入下降管，將凝固過程中體積收縮產(chǎn)生的空隙轉(zhuǎn)化為下降管內(nèi)液態(tài)相變材料高度的變化，從而進一步計算相變材料的瞬態(tài)液相

4、質(zhì)量分數(shù)。實驗結(jié)果顯示，三組平行試驗的溫度曲線最大實驗偏差百分比約為3.7%，下降高度的相對偏差不超過6.0%，說明實驗重復性良好。同時，將實驗測試的的總下降高度與基于固液相密度差的理論高度進行對比，相對偏差在10%-15%；將液相質(zhì)量分數(shù)曲線擬合成基于FoSte的無量綱關(guān)聯(lián)式，考慮到材料、幾何尺寸以及工況的不同，實驗曲線與前人的理論曲線趨勢一致，說明實驗具有良好的可靠性。
　　本文采用體積收縮法，還進一步研究了納米顆粒對球形容器

5、內(nèi)相變材料凝固換熱過程的影響。研究結(jié)果表明，球形容器內(nèi)納米復合相變材料的總凝固時間隨著納米顆粒質(zhì)量分數(shù)的增加而減少，這是因為添加納米顆粒增強了復合相變材料的導熱系數(shù)。此外，三種復合材料的液相質(zhì)量分數(shù)曲線存在交叉點，這可能是因為液體相變材料的粘度隨著質(zhì)量分數(shù)的添加而大幅度提高，導致相變材料流動性下降，延緩了下降管內(nèi)液體高度的變化。因此，更高質(zhì)量分數(shù)樣品的下降高度在實驗初期存在時間滯后，導致初始凝固速率被低估。對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，得出了液相