低温有机相变材料的热性能研究

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相对于显热储热材料而言,相变储热材料由于其能量密度高、体积小、储放热能时温度稳定的特点而备受关注。近年来以有机相变储能材料为主的各种相变材料被广泛应用于建筑节能保温、工业节能、电力调峰平谷等多个领域。本研究旨在尝试使用通过原位添加无机纳米颗粒以及小分子有机物添加剂来对低温有机相变材料进行改性和性能调控,同时尝试建立相变材料导热性能的快速评价方法,并在此基础上进一步研究低温有机复合相变储能材料并探究其结构和性能之间的影响关系。论文以有机醇和脂肪酸等低温有机相变材料为基体,通过向相变体系中添加无机或有机调节剂的方法复配得到一系列有机复合相变储能材料,探究了调节剂对有机复合相变体系热性能的影响,并重点对相变材料平均传热速率的影响机制进行了讨论。采用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、光学显微等技术对其相组成与微观结构进行表征,用导热系数测量和差示扫描量热法(DSC)等方法对有机复合相变体系的导热系数、熔点、凝固点、潜热等热学性能进行表征。主要研究内容如下:一、采用纳米Fe2O3、纳米碳球和纳米Ti O2三种无机纳米材料与十六醇直接混合的方法制备纳米复合材料,发现少量无机纳米颗粒可大幅增加体系的热导热系数,但同时伴随潜热降低较多,多次循环后出现分层的现象。为进一步提高性能,以十六醇为反应体系,分别加入钛酸四丁酯(TBT)、硅酸乙酯(TB)和硼酸三丁酯(TEOS)三种可水解物质,直接在十六醇中原位生成高导热纳米颗粒,表征后发现复合体系的导热系数得到不同程度增强,同时体系热循环稳定性也得到一定改善。TBT的导热系数增强效果最优,添加10 wt.%TBT时,纳米复合材料的导热系数比纯十六醇提高23.4%。二、利用乙醇、丙醇和己醇三种低级醇与十六醇复配建立低级醇/十六醇复合相变储能体系,发现低级醇的添加会使十六醇的固态导热系数增大,在添加2.5wt.%的己醇后,复合体系的导热系数增加23.59%。复合体系固液相变的平均传热速率随着低级醇的添加逐渐下降,液固相变时的平均传热速率随着低级醇的添加逐渐上升。当体系添加10 wt.%的己醇后,固液相变过程平均传热速率相比纯十六醇最多下降47.79%。XRD、红外以及光学显微结果可知低级醇的加入不会改变十六醇的化学结构和组成成分,但能通过影响其传热过程中的导热和对流从而影响其结晶性能进而影响平均传热速率。热循环测试结果发现,己醇与十六醇复合后的相变材料循环热稳定性较好。三、在上述工作基础上,进一步扩展研究了己醇对脂肪酸复合体系的热物性影响。发现制备的复合相变材料随己醇添加比例的增加,其固态导热系数下降。添加10 wt.%的己醇后,肉豆蔻酸、棕榈酸和硬脂酸的导热系数分别降低了18.82%、14.13%和22.43%。己醇的添加对硬脂酸的相变潜热影响最大,10 wt.%的己醇添加使硬脂酸的熔化潜热降低了13.07%;凝固潜热降低了14.57%。己醇的添加会使脂肪酸复合相变体系的平均传热速率逐渐下降。己醇添加比例为7.5wt.%时,肉豆蔻酸的固液相变过程平均传热速率相比初始值降低了35.08%;液固相变过程平均传热速率降低了28.26%。复合相变体系具有良好的热循环性。通过XRD、红外以及显微观察发现相变材料的传热与导热与对流有关,同时也与晶体结构有关。
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