三水合醋酸钠相变过冷度调控及传热性能优化研究

来源 :大连海事大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:anabaow1a1
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随着全球经济的发展,能源短缺问题日益突出,探索可再生能源,提高能源的利用率迫在眉睫,通过相变材料以潜热形式储存太阳能等可再生能源是提高能源利用效率的有效手段。本文选择无机水合盐相变材料三水合醋酸钠进行研究,其储热密度大,来源广泛,价格便宜,但其也存在过冷度大,相分离现象严重,导热系数低等缺点。针对其存在的这些问题,主要研究工作和结论如下:(1)首先,实验绘制了纯三水合醋酸钠在室温下自然冷却的步冷曲线,实验结果显示,纯三水合醋酸钠在冷却至室温时未发生凝固且存在上下分层现象,表明其存在严重的过冷倾向和相分离现象。通过差示扫描量热仪和导热系数测试仪测得其相变潜热为264J/g,导热系数为0.46W/(m·K)。添加羧甲基纤维素钠可以改善其相分离现象,添加比例为3.0wt.%时,相分离现象完全消除。其次,研究了不同管径对复合相变材料的过冷度的影响,结果表明,三种不同管径(20mm、25mm、30mm)尺寸下,成核剂的最佳添加比例相同,皆为1.0wt.%,且30mm管径尺寸下,复合相变材料的过冷度最低,为0.3℃,热循环性能最好,过冷度都低于1℃。随着成核剂比例的增加,其过冷度都呈现先减小后增大的趋势,最后对管径的影响进行分析,得出冷却速率影响复合相变材料的过冷度,冷却速率越大,过冷度越大。(2)选择金属氧化物三氧化二铝作为成核剂降低三水合醋酸钠的过冷度,分析了颗粒的成核机理。添加2.0wt.%三氧化二铝和3.0wt.%羧甲基纤维素钠可以将其过冷度降为1.5℃,有效促进其成核结晶。通过差示扫描量热仪测得其潜热较高,为255.6J/g,X射线衍射仪表征结果为复合相变材料各组分之间只是简单的物理混合,并没有发生化学反应,各组分之间相容性良好,复合相变材料的导热系数为0.65W/(m·K)。100次热循环实验表明,复合相变材料的热稳定性较好,过冷度都在3℃以下,100次热循环实验后测得其潜热为252.8J/g,与第一次潜热测试相比仅降低了2.8J/g,潜热损失较小。(3)选择氯化钠作为成核剂改善三水合醋酸钠的过冷度,随着氯化钠添加比例的增加,其过冷度总体呈现先减小后增大的趋势,当氯化钠的添加比例为4.0wt.%时,其过冷度最小为1.7℃,相变温度为55.7℃。通过差示扫描量热仪测得其潜热为249.7J/g,相比于纯三水合醋酸钠仅降低14.3J/g,XRD表征结果显示复合相变材料各组分之间只是简单的物理混合,没有发生化学反应,各组分可以稳定共存于复合体系中。通过导热系数测试仪测得复合相变材料的热导率为0.71W/(m·K),跟纯三水合醋酸钠相比提高了54.3%,传热性能增强。复合相变材料的热循环性能较好,过冷度波动范围很小,第100次熔化-凝固实验测得其相变焓为243.5J/g,相比于第一次测试仅降低了2.5%,相变稳定性较好。(4)进一步添加碳纳米管提高复合相变材料的传热性能,碳纳米管可以为其提供一个导热网络,从而缩短其熔化时间。当添加2.5wt.%的碳纳米管时,复合相变材料的熔化时间减少2000s,速率提高约57.1%,且添加碳纳米管可以降低复合相变材料的过冷度,添加2.5wt.%的碳纳米管可以将其过冷度降为2.5℃。其次,研究氯化钠和碳纳米管作为双成核剂对复合相变材料过冷度的改善效果,当添加4.0wt.%的氯化钠和2.5wt.%的碳纳米管时,可以将其过冷度降为0.2℃,潜热为243.5J/g,相比于纯三水合醋酸钠仅降低了7.7%。复合相变材料各组分之间相容性良好,导热系数为1.26W/(m·K),是纯三水合醋酸钠的2.7倍,100次热循环实验表明复合相变材料的热稳定较好。
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