復合相變材料儲能及熱控的理論和實驗研究.pdf

1、隨著科學技術的迅速發(fā)展，儲能技術在能源、航天、電子等領域的應用越來越廣泛。在能源領域，儲能技術是保證太陽能、風能等可再生能源實現(xiàn)穩(wěn)定運行的重要方法，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、電子等領域，由于大量周期性、脈沖型熱源的存在，利用儲能技術可以有效緩解熱源對電子裝置等器件的影響，保證系統(tǒng)正常運行，是一種有效的熱控方法。相變儲能具有儲能密度高、工作性質穩(wěn)定、價格低等優(yōu)點，因此，在能源、熱控等領域中得到廣

2、泛的重視和應用。但是，現(xiàn)有的相變儲能技術具有一定的局限性，如固-液相變過程中材料密度的變化和液體的流動性所導致的封裝困難、易發(fā)生泄漏，以及材料本身熱導率低等問題;同時，由于相變儲能過程的復雜性，還有很多關鍵性問題沒有得到有效解決，這些問題都一定程度上制約著相變儲能技術的推廣和使用。本文針對上述問題，對相變儲能過程中的傳熱特性、影響因素以及新型相變儲能材料的制備和性質等關鍵問題，進行了系統(tǒng)的理論和實驗研究。
　　本文首先針對基于高孔

3、隙率蜂窩結構復合相變材料，通過理論和實驗相結合的方法，研究其相變過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)間內將等效熱容隨溫度的變化采用高斯函數(shù)平滑過渡來提升計算的效率和準確性;通過與實驗結果的比較，證明了理論模型的準確性。研究結果顯示，高孔隙率蜂窩復合相變材料熱導率呈各向異性，橫向熱導率對熱控影響較小;相比于普通相變材料，其縱向熱導率得以大幅提高，使之在儲能、熱控過程中，可以大幅降低受熱面的溫度;有效熱控周期與

4、負載熱流大小呈反比關系。
　　基于上述研究結果，對高導熱碳碳蜂窩/正十四烷熱控裝置在有周期性負載和外部熱流等條件下的熱控特性進行了理論分析。結果表明，由于碳碳蜂窩的加入，熱控裝置有效熱導率得以提高，從而使得系統(tǒng)的最高溫度在熱控周期內不超過安全的范圍;相變裝置在只有當負載與冷卻時間相匹配時，才能達到穩(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最終熱控

5、效果的影響，結果表明在當接觸傳熱系數(shù)在1000W/(m2·K)以上時，對系統(tǒng)熱控影響較小。
　　本文分別通過建筑儲能地板采暖系統(tǒng)、MW級高熱流長時間熱防護系統(tǒng)進一步研究熱導率對相變儲能的儲能特性和傳熱特性的影響，并提出了一種長時間MW級高密度熱流的測量方法?；谒⒌慕ㄖδ艿匕宀膳到y(tǒng)的分析模型，分析了材料熱導率對地板采暖系統(tǒng)的換熱和漏熱影響，研究表明，提高相變材料的熱導率，可以使相變材料的溫度分布更均勻，相變材料的儲能利用率

6、得以提升;有利于提高采暖系統(tǒng)向室內的傳熱，提高采暖能力;同時，可以大大降低通過隔熱材料的漏熱，熱導率從0.15W/(m·K)提高到1.0W/(m·K)時，漏熱將降低40％左右，有利于建筑節(jié)能，但隨后繼續(xù)提高熱導率對漏熱的改善效果將變得不明顯。對高熱流密度熱防護方法的研究表明，提高相變材料熱導率是實現(xiàn)長時間測量的必要條件;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測量面溫度的控制但要高于環(huán)境溫度。根據(jù)這些研究，提出一種采用高導熱

7、碳碳蜂窩/相變材料作為熱沉的MW級高熱流密度測量方法，分析在被測熱流為1MW/m2，測試時間為2000s時，所設計熱沉結構能使熱流計工作在安全溫度范圍內的同時，重量僅有0.82kg，可以滿足高密度熱流長時間測量的需求。
　　上述研究結果表明，材料熱導率是影響相變傳熱的重要參數(shù)，為了進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合相變材料，對其熱穩(wěn)定性、熱物性、力學性能及熱控特性進行了研究。該新型復合相變

8、材料利用定形相變材料解決相變過程的封裝問題，利用蜂窩結構提高材料的熱導率，改善其力學性能。研究表明，所制備的高孔隙率鋁蜂窩復合定形相變材料的熱導率可提高到2.08W/(m·K);耐受極限應力為4.77MPa，比不加鋁蜂窩結構提升了25.2％。對鋁蜂窩板結構復合定形相變材料熱控特性進行了理論與實驗研究，結果表明，在承受較大熱流負載時，蜂窩的加入可以使相變材料最高溫度在一個儲能周期內不超過支撐結構的耐受溫度極限，保證材料和設備的安全。

9、>　　本文提出了采用柔性相變材料來改善儲能/熱控裝置在應用過程中安裝不便、接觸熱阻較大等問題，并制備出相應柔性相變材料。對該材料的研究結果顯示，該材料呈現(xiàn)出極好的結構彈性和形狀可恢復性;材料封裝性能極好，實驗過程中未發(fā)現(xiàn)相變物質泄露現(xiàn)象;材料相變潛熱為110.6J/g，熱導率可以達到0.93W/(m·K)，可以滿足相變儲能及熱控需求。
　　最后，為了更方便地分析相變儲能和熱控過程中各參數(shù)之間的關系，為相變儲能/熱控系統(tǒng)提供簡單、方