復(fù)合相變材料儲(chǔ)能及熱控的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf_第1頁(yè)
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1、隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,儲(chǔ)能技術(shù)在能源、航天、電子等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在能源領(lǐng)域,儲(chǔ)能技術(shù)是保證太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的重要方法,也是諸如建筑、制冷等能量系統(tǒng)平衡用電峰谷、節(jié)能減排的有效手段。在航天、電子等領(lǐng)域,由于大量周期性、脈沖型熱源的存在,利用儲(chǔ)能技術(shù)可以有效緩解熱源對(duì)電子裝置等器件的影響,保證系統(tǒng)正常運(yùn)行,是一種有效的熱控方法。相變儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能密度高、工作性質(zhì)穩(wěn)定、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),因此,在能源、熱控等領(lǐng)域中得到廣

2、泛的重視和應(yīng)用。但是,現(xiàn)有的相變儲(chǔ)能技術(shù)具有一定的局限性,如固-液相變過(guò)程中材料密度的變化和液體的流動(dòng)性所導(dǎo)致的封裝困難、易發(fā)生泄漏,以及材料本身熱導(dǎo)率低等問(wèn)題;同時(shí),由于相變儲(chǔ)能過(guò)程的復(fù)雜性,還有很多關(guān)鍵性問(wèn)題沒(méi)有得到有效解決,這些問(wèn)題都一定程度上制約著相變儲(chǔ)能技術(shù)的推廣和使用。本文針對(duì)上述問(wèn)題,對(duì)相變儲(chǔ)能過(guò)程中的傳熱特性、影響因素以及新型相變儲(chǔ)能材料的制備和性質(zhì)等關(guān)鍵問(wèn)題,進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。
  本文首先針對(duì)基于高孔

3、隙率蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合相變材料,通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究其相變過(guò)程中的傳熱特性與影響因素。采用顯熱容法建立其理論模型,并在相變區(qū)間內(nèi)將等效熱容隨溫度的變化采用高斯函數(shù)平滑過(guò)渡來(lái)提升計(jì)算的效率和準(zhǔn)確性;通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較,證明了理論模型的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果顯示,高孔隙率蜂窩復(fù)合相變材料熱導(dǎo)率呈各向異性,橫向熱導(dǎo)率對(duì)熱控影響較小;相比于普通相變材料,其縱向熱導(dǎo)率得以大幅提高,使之在儲(chǔ)能、熱控過(guò)程中,可以大幅降低受熱面的溫度;有效熱控周期與

4、負(fù)載熱流大小呈反比關(guān)系。
  基于上述研究結(jié)果,對(duì)高導(dǎo)熱碳碳蜂窩/正十四烷熱控裝置在有周期性負(fù)載和外部熱流等條件下的熱控特性進(jìn)行了理論分析。結(jié)果表明,由于碳碳蜂窩的加入,熱控裝置有效熱導(dǎo)率得以提高,從而使得系統(tǒng)的最高溫度在熱控周期內(nèi)不超過(guò)安全的范圍;相變裝置在只有當(dāng)負(fù)載與冷卻時(shí)間相匹配時(shí),才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此外,還分析了蜂窩壁與相變材料之間的接觸熱阻、蜂窩狀材料與殼體之間的接觸熱阻以及相變裝置安裝底面與艙板之間的接觸熱阻對(duì)最終熱控

5、效果的影響,結(jié)果表明在當(dāng)接觸傳熱系數(shù)在1000W/(m2·K)以上時(shí),對(duì)系統(tǒng)熱控影響較小。
  本文分別通過(guò)建筑儲(chǔ)能地板采暖系統(tǒng)、MW級(jí)高熱流長(zhǎng)時(shí)間熱防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)一步研究熱導(dǎo)率對(duì)相變儲(chǔ)能的儲(chǔ)能特性和傳熱特性的影響,并提出了一種長(zhǎng)時(shí)間MW級(jí)高密度熱流的測(cè)量方法?;谒⒌慕ㄖ?chǔ)能地板采暖系統(tǒng)的分析模型,分析了材料熱導(dǎo)率對(duì)地板采暖系統(tǒng)的換熱和漏熱影響,研究表明,提高相變材料的熱導(dǎo)率,可以使相變材料的溫度分布更均勻,相變材料的儲(chǔ)能利用率

6、得以提升;有利于提高采暖系統(tǒng)向室內(nèi)的傳熱,提高采暖能力;同時(shí),可以大大降低通過(guò)隔熱材料的漏熱,熱導(dǎo)率從0.15W/(m·K)提高到1.0W/(m·K)時(shí),漏熱將降低40%左右,有利于建筑節(jié)能,但隨后繼續(xù)提高熱導(dǎo)率對(duì)漏熱的改善效果將變得不明顯。對(duì)高熱流密度熱防護(hù)方法的研究表明,提高相變材料熱導(dǎo)率是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量的必要條件;較大的相變潛熱有利于控制重量;相變溫度較低更有利于對(duì)測(cè)量面溫度的控制但要高于環(huán)境溫度。根據(jù)這些研究,提出一種采用高導(dǎo)熱

7、碳碳蜂窩/相變材料作為熱沉的MW級(jí)高熱流密度測(cè)量方法,分析在被測(cè)熱流為1MW/m2,測(cè)試時(shí)間為2000s時(shí),所設(shè)計(jì)熱沉結(jié)構(gòu)能使熱流計(jì)工作在安全溫度范圍內(nèi)的同時(shí),重量?jī)H有0.82kg,可以滿足高密度熱流長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量的需求。
  上述研究結(jié)果表明,材料熱導(dǎo)率是影響相變傳熱的重要參數(shù),為了進(jìn)一步改善相變材料的性能,本文提出了基于高孔隙率蜂窩/定形相變材料的新型復(fù)合相變材料,對(duì)其熱穩(wěn)定性、熱物性、力學(xué)性能及熱控特性進(jìn)行了研究。該新型復(fù)合相變

8、材料利用定形相變材料解決相變過(guò)程的封裝問(wèn)題,利用蜂窩結(jié)構(gòu)提高材料的熱導(dǎo)率,改善其力學(xué)性能。研究表明,所制備的高孔隙率鋁蜂窩復(fù)合定形相變材料的熱導(dǎo)率可提高到2.08W/(m·K);耐受極限應(yīng)力為4.77MPa,比不加鋁蜂窩結(jié)構(gòu)提升了25.2%。對(duì)鋁蜂窩板結(jié)構(gòu)復(fù)合定形相變材料熱控特性進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,在承受較大熱流負(fù)載時(shí),蜂窩的加入可以使相變材料最高溫度在一個(gè)儲(chǔ)能周期內(nèi)不超過(guò)支撐結(jié)構(gòu)的耐受溫度極限,保證材料和設(shè)備的安全。

9、>  本文提出了采用柔性相變材料來(lái)改善儲(chǔ)能/熱控裝置在應(yīng)用過(guò)程中安裝不便、接觸熱阻較大等問(wèn)題,并制備出相應(yīng)柔性相變材料。對(duì)該材料的研究結(jié)果顯示,該材料呈現(xiàn)出極好的結(jié)構(gòu)彈性和形狀可恢復(fù)性;材料封裝性能極好,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)相變物質(zhì)泄露現(xiàn)象;材料相變潛熱為110.6J/g,熱導(dǎo)率可以達(dá)到0.93W/(m·K),可以滿足相變儲(chǔ)能及熱控需求。
  最后,為了更方便地分析相變儲(chǔ)能和熱控過(guò)程中各參數(shù)之間的關(guān)系,為相變儲(chǔ)能/熱控系統(tǒng)提供簡(jiǎn)單、方

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