相變膠囊傳熱及其在儲能墻體中應用研究.pdf

1、建筑節(jié)能是涉及人類生存環(huán)境的大課題，而潛熱儲能技術是解決該能源問題的重要技術手段之一，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瓶領:一為在相變蓄能材料的復合技術，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，以及實現相變材料高效儲能能力與速率的關鍵技術的突破將具有重要的學術與應用價值。為此，本文嘗試開發(fā)出毫米級高導熱定形相變膠囊的

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值研究及其在建筑墻體中的應用探討，并輔以必要的理論分析與試驗研究。本研究主要內容包括：
　?、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，對上述定形相交材料進行膠囊化封裝，制備了涂有致密海藻酸鈣膜的毫米級定形相變大膠囊，實現了定形相交復合高效儲能關鍵技術和膠囊化封裝關

3、鍵技術的突破。通過對定形相變膠囊材料的結構表征及性能測試，研究結果表明: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，加強了復合材料的界面結合。加入膨脹石墨之后，定形相變膠囊內的載體基質形成了更加精細的微觀結構，石蠟分布更均勻。
　?、崎_展了定形相變膠囊材料導熱系數的研究，針對定形相變膠囊材料內部的微觀結構特征，同時考慮相變材料石蠟相態(tài)轉變時的體積與空腔的變化，基于分形理論提出了一

4、種全新的預測模型:分形-空腔模型，并通過準穩(wěn)態(tài)平板法對其預測模型進行了試驗驗證，在此基礎上探討了多個因素對定形相變大膠囊導熱系數的影響。結果表明:具有分形結構的定形相變膠囊材料的導熱系數可以表示各組分材料的熱導率、孔隙率、度量尺度、分形維數、體積收縮比以及空腔率的函數，經試驗驗證，考慮了空腔率和石蠟相變體積的收縮之后，其分形—空腔模型的預測值更加符合實際。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熱系數，且初始空腔

5、率對熔融狀態(tài)下的熱導率的影響要強于凝固狀態(tài)下的影響。添加了4％的高導熱材料膨脹石墨之后，定形相變膠囊的導熱系數提高了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行了數值研究。研究結果表明: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數對其完全凝固時間的差異愈加顯著。高導熱定形相變膠囊相界面移動速率曲線從外層到內層呈“U”形變化;添加少量的高導熱材料石墨，可有效提高其相界面移動速率和瞬時熱流釋放量，但過高的體積分數又降低了相變膠囊的儲熱能力。
　?、仍O計并搭建了堆積狀態(tài)下定形相變膠囊的相變傳熱試驗裝置，對其溫度分布和相分布進行了實測分析與可視化研究。并據此試驗

7、模型，基于體積平均理論建立了相變傳熱的數學描述，分別從試驗和理論多角度重點分析了石墨含量、孔隙率等因素對堆積于蓄熱容器內相變膠囊傳熱特性的影響。結果顯示:基于體積平均理論計算的模擬結果與試驗結果吻合較好，驗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的溫度差異更小，熱擴散性能更高。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。
　　⑸建立摻有定形相變膠囊的相變墻

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，相變儲能墻體內的傳熱過程及室內空氣的溫度響應。并據此搭建了相變墻體及其模型小室的試驗臺，對其溫度分布進行了測試，研究結果表明:理論模擬的結果與試驗數據完全吻合，驗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空氣溫度的波動幅度，而對振蕩的