水合盐相变储能材料研究及数值模拟

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能源是人类赖以生存和发展的重要支柱,是一个国家社会文明发展程度和经济发展的关键因素。在能源利用过程中普遍存在供能与需求时空不匹配及能源浪费极为严重的问题。储能技术的出现,可以使这些能源得到更加合理、更加高效的利用。相变储能作为储能领域的一个技术分支,近年来受到广泛的关注。相变储能的技术关键是获得成本低廉、性能稳定的相变储能材料。  水合盐相变储能材料具有原料丰富、储热密度高、价格低等优点,其应用及市场前景相当可观。该论文主要针对CaCl2·6H2O和CH3COONa·3H2O这两种典型的水合盐相变储能材料进行系统研究。  1)CaCl2·6H2O/SrCl2·6H2O/氧化膨胀石墨(EGO)复合相变储能材料。氧化膨胀石墨不仅具有膨胀石墨的结构和性质,同时其表面还有大量的极性官能团,这些极性官能团可以吸附CaCl2·6H2O相变储能材料的Cl-、Ca2+离子,缩短离子扩散路径,增加Cl-、Ca2+离子接触几率,在提高CaCl2·6H2O成核效率的同时,也增加了体系的热导率。当EGO含量为1.0 wt%时,相变材料的热导率为1.832 W/m·K。在50次的吸放热循环以后,材料性能稳定,无相分离现象,相变潜热值可达172.26 J/g,相变潜热衰减率为1.28%,在工程模拟实验中,表现出优异的储热性能。  2)CaCl2·6H2O/γ-Al2O3纳米复合相变储能材料研究。由于γ-Al2O3纳米粒子不仅可以起到辅助成核剂的作用,还可以提高相变储能材料的热导率,在γ-Al2O3纳米粒子的含量为0.5wt%、1.0 wt%、1.5 wt%、2.0 wt%时,其过冷度均保持在0~2℃之间;相变储能材料熔化吸热时间分别减少了9.33%、14.66%、44%、49.33%,凝固放热时间分别减少了9.69%、17.84%、19.38%、25.33%。1.0%-γ-Al2O3-CaCl2·6H2O相变材料经过50次吸放热循环以后,相变温度始终保持在27~29℃之间;相变材料的过冷度也在0.3~1.1℃之间;相变材料的相变潜热仍然保持在159.6J/g,相比循环之前,相变潜热衰减了5.9%;在整个实验过程中,没有观察到材料的相分离现象,相变材料性能稳定。  3)CH3COONa·3H2O-KCl复合相变储能材料研究。运用溶液结构理论及量子化学计算对CH3COONa·3H2O-KCl体系溶液结构进行初步探讨,并采用Al2O3纳米粒子为成核剂,羧甲基纤维素(CMC)为增稠剂,对CH3COONa·3H2O-8%KCl体系进行改性,结果表明,当Al2O3纳米粒子含量为1.0 wt%,CMC含量为4.0 wt%时,性能最优,几乎没有过冷现象,相变潜热值为236.17J/g,在50次吸放热循环以后,没有出现纳米粒子分离及团聚现象,过冷度在0~2℃,相变潜热值为232.29J/g,相变潜热衰减率为3.6%,相变储能材料性能稳定。  4)相变储能材料的相变过程数值模拟。采用ANSYS有限元模拟软件对CaCl2·6H2O相变储能材料及其相变储热模块进行模拟,该模拟结果对相变储能材料在实际工程应用具有重要指导意义。对CaCl2·6H2O相变储能材料的模拟过程显示:在材料尺寸为20×20cm,热导率1.0~1.2 W/m·K,空气对流换热系数8~14W/m2·℃时,相变储能材料放热时间约为60min,满足其在工程中的应用。对CaCl2·6H2O相变蓄热箱体进行初步探索模拟结果表明,在放热过程中,该材料体系的相变储热模块对储热箱体内温度提升、保温时间较为明显。
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