相變材料的熱物性測量和流動(dòng)傳熱特性研究.pdf

1、近些年來，隨著地球上的自然資源急劇消耗，人們面臨著資源短缺和環(huán)境惡化等難題。緩解能源環(huán)境現(xiàn)狀，不僅關(guān)乎到科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，更關(guān)系到人類自身的生存與發(fā)展。所以，如何解決能源環(huán)境危機(jī)，已經(jīng)成為了全世界人民共同關(guān)注的話題。
　　為了更加有效地利用能源，可以將能源儲(chǔ)存起來。在各種儲(chǔ)能方式中，潛熱儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能密度大、適用范圍廣和靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，所以在節(jié)能儲(chǔ)能領(lǐng)域上具有非常好的應(yīng)用前景。作為潛熱儲(chǔ)能研究領(lǐng)域中非常重要的一種能量載體，相變材

2、料也越來越引起人們的關(guān)注。相變材料最大的特點(diǎn)是在相變過程中，材料雖然吸收或放出大量的熱量，但是溫度近乎恒定。目前，相變材料主要分為無機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料和混合相變材料三類。本文研究了作為一種典型的無機(jī)相變材料的結(jié)晶水合鹽的熱學(xué)性能。以四丁基溴化銨（TBAB）、四丁基溴化磷（TBPB）和四丁基氯化銨（TBAC）為主要研究對象，通過實(shí)驗(yàn)分別測量了它們的相變溫度、相變潛熱和水合物晶體所攜帶的水分子數(shù)目等熱物性參數(shù)。對于有機(jī)相變材料和混合相

3、變材料，本文主要通過制備月桂酸-硬脂酸二元共熔物并研究其熱學(xué)性能來確定該共熔物在電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)上的應(yīng)用前景。我們主要研究了月桂酸和硬脂酸這兩種脂肪酸形成二元共熔物時(shí)的它們的質(zhì)量比，并確定共熔物的相變溫度、相變潛熱、比熱容和熱穩(wěn)定性。為了強(qiáng)化該共熔物的傳熱性能，本文嘗試將膨脹石墨作為高熱導(dǎo)率基材加入其中，制備出新的復(fù)合相變材料。然后又通過測量加入膨脹石墨后的共熔物的熱物性參數(shù)的變化，來確定膨脹石墨對脂肪酸共熔物熱學(xué)性能的影響，并通

4、過對微觀結(jié)構(gòu)的分析，研究了膨脹石墨提高熱導(dǎo)率的機(jī)理。除了熱學(xué)性能，相變材料的流動(dòng)傳熱特性也是相變儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。所以本文通過建立三維數(shù)值傳熱模型來預(yù)測石蠟/泡沫銅復(fù)合相變材料在腔體中的融化傳熱情況，并且搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)來進(jìn)行該復(fù)合相變材料的實(shí)際融化實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與數(shù)值模擬得到的結(jié)果進(jìn)行對比并相互印證，不僅驗(yàn)證了建立的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，而且可以使該模型預(yù)測類似工況下的融化傳熱過程，以減少實(shí)際生產(chǎn)中的工作量。
　　研究所得結(jié)果如下

5、：（1）對結(jié)晶水合鹽的研究表明，TBAB水合物晶體的相變溫度在0-12℃內(nèi)，TBPB水合物晶體的相變溫度在0-10℃內(nèi)，TBAC水合物晶體的相變溫度在0-15℃內(nèi)，這種溫度范圍的相變溫度表明TBAB、TBPB和TBAC都可以很好地運(yùn)用在空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)上。TBAB、TBPB和TBAC這三種水合物晶體的相變潛熱值分別為180-190kJ/kg、186-194kJ/kg和181 kJ/kg，相比于顯熱儲(chǔ)能以及大部分相變材料的相變潛熱，這些結(jié)晶水

6、合鹽相變材料的相變潛熱明顯大了不少，也說明了利用了這些結(jié)晶水合鹽的儲(chǔ)能系統(tǒng)具有儲(chǔ)能密度大的優(yōu)點(diǎn)，因此結(jié)晶水合鹽相變材料可以被用來儲(chǔ)能和傳輸介質(zhì)。（2）對月桂酸-硬脂酸二元共熔物的熱學(xué)性能的研究表明，當(dāng)兩者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76.3％和23.7%時(shí)，形成共熔物，其熔化溫度為38.99℃，相變潛熱值為159.94kJ/kg。（3）通過研究在二元共熔物中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的膨脹石墨后的熱物性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)加入膨脹石墨后，該共熔物的相變溫度有了微小變化

7、，過冷度有了減小，相變潛熱值與理論值保持一致。（4）通過微觀結(jié)構(gòu)的分析，我們可以知道，膨脹石墨提供了致密的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，可以用來很好地吸收熔融狀態(tài)的脂肪酸，并且膨脹石墨與脂肪酸之間有很好的潤濕性和兼容性。（5）利用瞬態(tài)平面熱源法來確定了脂肪酸純凈物、二元混合物以及加入膨脹石墨后的脂肪酸的熱導(dǎo)率，測量結(jié)果表明加入的膨脹石墨，可以大大地提高脂肪酸的熱導(dǎo)率。（6）通過熱重分析儀來研究了脂肪酸的熱學(xué)穩(wěn)定性，結(jié)果表明月桂酸、硬脂酸、二元共熔物以及加