球形容器內(nèi)納米復(fù)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(chǔ)可以有效解決能源在時(shí)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(chǔ)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(jìn)行的，具有儲(chǔ)能密度高、吸放熱過程中溫度幾乎不變等優(yōu)點(diǎn)。常用的有機(jī)相變材料雖然具有較大的比熱容和相變潛熱，但是其導(dǎo)熱系數(shù)低、換熱性能差等缺點(diǎn)成為了制約實(shí)際應(yīng)用的主要因素。為了提高潛熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的換熱效率

2、，在相變材料中添加具有高導(dǎo)熱系數(shù)的納米顆粒，是一種常見的強(qiáng)化傳熱手段。
　　在實(shí)際應(yīng)用中，球形容器常被用于堆積床式潛熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)熱單元。為了研究堆積床式的潛熱儲(chǔ)能系統(tǒng)中能量的吸收和釋放，研究單個(gè)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(shí)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(shí)驗(yàn)方法，同時(shí)通過制備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米復(fù)合相變材料，研究了高導(dǎo)熱系數(shù)的納

3、米顆粒對相變材料的強(qiáng)化傳熱影響。
　　本文以十四醇（熔點(diǎn)37℃）為相變材料，采用“兩步法”制備了石墨烯納米片質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0％、0.5%、1.0%、3.0%的復(fù)合相變材料，并對納米復(fù)合相變材料的熱物性，包括導(dǎo)熱系數(shù)、相變焓、相變溫度、比熱容、密度以及粘度等進(jìn)行了測試。
　　本文提出的間接實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步計(jì)算相變材料的瞬態(tài)液相

4、質(zhì)量分?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，三組平行試驗(yàn)的溫度曲線最大實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)重復(fù)性良好。同時(shí)，將實(shí)驗(yàn)測試的的總下降高度與基于固液相密度差的理論高度進(jìn)行對比，相對偏差在10%-15%；將液相質(zhì)量分?jǐn)?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(shí)驗(yàn)曲線與前人的理論曲線趨勢一致，說明實(shí)驗(yàn)具有良好的可靠性。
　　本文采用體積收縮法，還進(jìn)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(fù)合相變材料的總凝固時(shí)間隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減少，這是因?yàn)樘砑蛹{米顆粒增強(qiáng)了復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)。此外，三種復(fù)合材料的液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線存在交叉點(diǎn)，這可能是因?yàn)橐后w相變材料的粘度隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的添加而大幅度提高，導(dǎo)致相變材料流動(dòng)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?jǐn)?shù)樣品的下降高度在實(shí)驗(yàn)初期存在時(shí)間滯后，導(dǎo)致初始凝固速率被低估。對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出了液相