摘要
相变储能作为一种储能密度较大的热能存储方式，可以有效弥补太阳能等可再生能源应用中的间歇性和不稳定性等缺点。然而，相变材料较低的导热系数使得相变储能过程中的传热性能较差，这极大地限制了相变储能的应用潜力。为了改善相变传热性能，本文基于相变材料和相变储能单元两方面展开研究。制备了一种导热增强的膨胀石墨/石蜡复合相变材料，并在此基础上，通过实验和数值模拟的方法研究了相变材料物性和储能单元几何构造对相变传热性能的影响。主要内容和结论如下：首先，以石蜡为相变材料、膨胀石墨为导热增强填料，制备了四种分别含1%、2%、3%和4%质量分数膨胀石墨的膨胀石墨/石蜡复合相变材料。观察了复合相变材料在高温下的形貌，并进行了导热系数测试和差示扫描量热分析。结果表明，在0%~3%范围内，复合相变材料的导热系数随膨胀石墨比例增大而提高；膨胀石墨比例为4%时，复合相变材料中含有较多孔隙，不利于导热系数的提高。相比纯石蜡，含 3%膨胀石墨的膨胀石墨/石蜡复合相变材料的导热系数提高了7 倍，相变温度和相变潜热略微降低，且相变潜热降低比例与膨胀石墨添加比例相当。其次，对制得的含 3%膨胀石墨的膨胀石墨/石蜡复合相变材料与纯石蜡进行了熔化性能测试，并研究了加热温度对两种相变材料熔化过程的影响。搭建了相变材料熔化性能测试装置，在相变储能单元截面不同位置布置热电偶记录熔化过程中的温度变化，并利用各测点的温度和控制区域加权计算得到相变过程中的熔化分数变化。结果表明，纯石蜡熔化过程中位于相变储能单元下部的相变材料熔化较慢，而含 3%膨胀石墨的膨胀石墨/石蜡复合相变材料熔化过程中相变储能单元各方向的相变材料都有较快的熔化速率。因此，在80℃加热温度下，含3%膨胀石墨的膨胀石墨/石蜡复合相变材料的熔化过程比纯石蜡缩短了78.16%。随着加热温度的降低，两种相变材料的完全熔化时间都会增加。但是纯石蜡的增加幅度更大，这说明添加膨胀石墨可减弱加热温度对石蜡熔化性能的影响。然后，在实验研究的基础上，采用数值模拟的方法探究了自然对流和导热系数对熔化/凝固性能的影响。根据相变材料熔化过程中对流主导和导热主导的两种传热方式，将相变材料分为对流型和导热型两种相变材料。建立了对流型和导热型两种相变材料相变过程的数值模拟方法，模拟了两种相变材料的熔化/凝固过程。结果表明，自然对流的存在可以缩短相变材料的完全熔化时间，但会增大完全凝固时间。不考虑自然对流时，导热系数越大，相变材料的熔化/凝固速率越快，但其熔化/凝固形式并未改变。当导热系数增加29%时，自然对流缺失造成的熔化过程较长的问题便可得到解决。最后，研究了相变储能单元的尺寸参数和内管数对不同相变材料相变性能的影响。研究基于纯石蜡和含 3%膨胀石墨的膨胀石墨/石蜡复合相变材料为代表的对流型和导热增强型两种相变材料。数值模拟了当相变材料的填充量固定时，增加相变储能单元的内外径尺寸和内管数时两种相变材料的相变过程。结果表明，增大相变储能单元的内外径尺寸能够缩短对流型和导热型相变材料的相变过程，但内外径尺寸改变对导热为主的相变过程更有利。对流型相变材料熔化和凝固过程时的最佳内管数是不同的，而导热增强型相变材料不同情况时的最佳内管数是相同的。
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