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相变储能技术能够利用能量产出与消耗之间的时间差实现能源的优化使用,其具有性能稳定、储能密度大,能够在定温或极小温度波动的条件下实现能量转换等优点。近年来,已广泛应用于中央空调冷量储存、太阳能及工业余热回收等领域。然而,相变材料热物性参数相对匮乏直接制约储能系统的设计及优化,此外,当前相变材料热物性测试方法单一、局限性较大,阻碍了相变储能技术的应用与推广。本课题立足于经典传热理论,旨在提出一种简单且实用性强的热物性测试方法,主要工作包括以下四个方面: (1)径向相变模型的建立及测试方法的理论研究 本研究突破传统方法的固有形式,在Stefan理论的基础上,建立了两类径向相变模型,采用摄动法成功推导了模型条件下相变温度处热物性参数与相界面移动速率的近似关系,为相关测试方法的实验研究提供了理论基础。 (2)测试方法的实验研究及测试结果的分析讨论 依据物理模型条件,精心设计并搭建了两类新型热物性测试装置。本文以三水醋酸钠为研究对象,利用装置获取了一定时间范围内相界面所处的位置信息,并通过数学关系计算得到试样的热物性参数。结果表明装置具备良好的保温性能,能够有效防止内部热损失,导热系数计算值与文献值比对,误差较小。同时,结合不同热源温度下的测试结果探讨了装置内部热损失及对流换热作用的影响,确定了最佳热源温度的设置原则。 (3)材料均温过程的数值仿真 由于仅依靠实验手段无法准确反映相变材料内部各点的温度分布及其变化情况,引入数值仿真技术模拟材料均温过程,确定被测样品在两类装置中的保温时间,指导实际测试设计,圆柱相变测试装置中,三水醋酸钠的保温时间为8h,而在圆球相变测试装置中,对应的保温时间为13h。 (4)相变过程数值仿真及结果误差修正 由于实际边界条件与理想条件之间的差异及实验条件的限制,测试结果存在一定误差。针对这一问题,文章应用“反—正两步计算法”,对实际相变过程进行数值仿真,将仿真工况与实际工况相比较,通过调整参数设置,不断逼近实测工况,以此达到误差修正的目的。圆柱、圆球模型下,得到修正后的导热系数值分别为0.408和0.426 W/(m·K),误差显著降低,表明数值仿真与实验测试相结合能提高测试精度。 总体来说,测试装置设置要求不高,操作简便,且对应模型的假设具有普遍性,理论上可用于多种材料相变温度处热物性参数的测定;实验条件下,相界面处温度梯度小,能够确保被测物质结构及物理性质的真实性;测试结果能为相变材料的深入研究提供理论依据及基础数据。