相變膠囊傳熱及其在儲能墻體中應(yīng)用研究.pdf

1、建筑節(jié)能是涉及人類生存環(huán)境的大課題，而潛熱儲能技術(shù)是解決該能源問題的重要技術(shù)手段之一，可緩解能量供求在時間和空間上不匹配的矛盾，是提高能源利用率的有效方法。然而目前潛熱蓄熱材料存在兩個主要的技術(shù)瓶領(lǐng):一為在相變蓄能材料的復(fù)合技術(shù)，二為傳統(tǒng)的潛熱蓄熱材料的儲熱容量與儲存速率無法提高。因此研發(fā)出超高效的革新性潛熱材料，以及實(shí)現(xiàn)相變材料高效儲能能力與速率的關(guān)鍵技術(shù)的突破將具有重要的學(xué)術(shù)與應(yīng)用價值。為此，本文嘗試開發(fā)出毫米級高導(dǎo)熱定形相變膠囊的

2、新型潛熱儲能材料，開展以該相變膠囊為對象的相變傳熱的數(shù)值研究及其在建筑墻體中的應(yīng)用探討，并輔以必要的理論分析與試驗(yàn)研究。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、叛邪l(fā)出超高效革新型潛熱材料，即以石蠟為相變材料，高密度聚乙烯為支撐材料，膨脹石墨為高導(dǎo)熱材料，在超過載體熔解溫度以后熔融混合，冷卻成形;再采用薄膜包衣技術(shù)，對上述定形相交材料進(jìn)行膠囊化封裝，制備了涂有致密海藻酸鈣膜的毫米級定形相變大膠囊，實(shí)現(xiàn)了定形相交復(fù)合高效儲能關(guān)鍵技術(shù)和膠囊化封裝關(guān)

3、鍵技術(shù)的突破。通過對定形相變膠囊材料的結(jié)構(gòu)表征及性能測試，研究結(jié)果表明:定形相變材料通過海藻酸鈣薄膜包覆之后，對石蠟的阻滲效果明顯;將完全疏水性的表面改善為完全親水性，加強(qiáng)了復(fù)合材料的界面結(jié)合。加入膨脹石墨之后，定形相變膠囊內(nèi)的載體基質(zhì)形成了更加精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，石蠟分布更均勻。
　?、崎_展了定形相變膠囊材料導(dǎo)熱系數(shù)的研究，針對定形相變膠囊材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)特征，同時考慮相變材料石蠟相態(tài)轉(zhuǎn)變時的體積與空腔的變化，基于分形理論提出了一

4、種全新的預(yù)測模型:分形-空腔模型，并通過準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板法對其預(yù)測模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上探討了多個因素對定形相變大膠囊導(dǎo)熱系數(shù)的影響。結(jié)果表明:具有分形結(jié)構(gòu)的定形相變膠囊材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以表示各組分材料的熱導(dǎo)率、孔隙率、度量尺度、分形維數(shù)、體積收縮比以及空腔率的函數(shù)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，考慮了空腔率和石蠟相變體積的收縮之后，其分形—空腔模型的預(yù)測值更加符合實(shí)際。石蠟含量、體積收縮率以及初始空腔率的增大均會降低定形相交膠囊的導(dǎo)熱系數(shù)，且初始空腔

5、率對熔融狀態(tài)下的熱導(dǎo)率的影響要強(qiáng)于凝固狀態(tài)下的影響。添加了4％的高導(dǎo)熱材料膨脹石墨之后，定形相變膠囊的導(dǎo)熱系數(shù)提高了2倍之多。
　?、墙⒘藛蝹€相變膠囊儲能單元的相變熱傳導(dǎo)模型，模型中同時考慮了其PCM的體積變化和空腔的存在，基于顯熱容法對相變膠囊的凝固傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值研究。研究結(jié)果表明:考慮相變材料的體積變化對初始階段的凝固過程幾乎沒有影響，但此后隨著固相率逐漸增加，熱傳遞速率明顯減緩;初始空腔比不僅影響了相變傳熱速率，也降低

6、了單位體積膠囊的相變潛熱。Ste數(shù)越大，膠囊尺寸越小，膠囊完全凝固的時間均越短;且越大的膠囊尺寸Ste數(shù)對其完全凝固時間的差異愈加顯著。高導(dǎo)熱定形相變膠囊相界面移動速率曲線從外層到內(nèi)層呈“U”形變化;添加少量的高導(dǎo)熱材料石墨，可有效提高其相界面移動速率和瞬時熱流釋放量，但過高的體積分?jǐn)?shù)又降低了相變膠囊的儲熱能力。
　　⑷設(shè)計(jì)并搭建了堆積狀態(tài)下定形相變膠囊的相變傳熱試驗(yàn)裝置，對其溫度分布和相分布進(jìn)行了實(shí)測分析與可視化研究。并據(jù)此試驗(yàn)

7、模型，基于體積平均理論建立了相變傳熱的數(shù)學(xué)描述，分別從試驗(yàn)和理論多角度重點(diǎn)分析了石墨含量、孔隙率等因素對堆積于蓄熱容器內(nèi)相變膠囊傳熱特性的影響。結(jié)果顯示:基于體積平均理論計(jì)算的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了模型的正確性和合理性。較高的石墨含量和較低的孔隙率使得相變膠囊蓄熱容器內(nèi)的溫度差異更小，熱擴(kuò)散性能更高。膨脹石墨更高的定形相變膠囊在加熱初期相界面位置移動較慢，但最終完全融化時間反而更短。
　?、山接卸ㄐ蜗嘧兡z囊的相變墻

8、體及其房間的傳熱理論模型，模擬了在周期性交化的室外溫度邊界條件下，相變儲能墻體內(nèi)的傳熱過程及室內(nèi)空氣的溫度響應(yīng)。并據(jù)此搭建了相變墻體及其模型小室的試驗(yàn)臺，對其溫度分布進(jìn)行了測試，研究結(jié)果表明:理論模擬的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)完全吻合，驗(yàn)證了模型的正確性和合理性。儲能墻體中的相變膠囊含量越高，房間的溫度衰減度越大，相位延遲時間越長。相變溫度的最佳取值點(diǎn)宜盡量接近墻體相變層中心溫度;相變溫度半徑區(qū)間的大小僅僅影響了室內(nèi)空氣溫度的波動幅度，而對振蕩的