十二烷/膨胀石墨定形相变材料蓄冷特性研究

• 作 者: 宋炎林
• 出 处: 西南交通大学
• 发表日期: 2020年04期
• 关键词: 十二烷 定形 导热增强 分形理论 双层相变单元

随着我国经济的快速发展,人们生活水平也在不断提高,对于生鲜食物的需求不断增加,蓄冷技术迅速兴起。蓄冷技术主要是利用工质状态变化过程中通过热量的储存和释放来调节环境温度的。利用相变材料的物态变化过程中潜热的储存和释放实现温度调节的相变蓄冷技术具有储能密度大、相变过程近似恒温、无需驱动力等优点,成为目前最受关注的蓄冷技术之一。相变材料是相变蓄冷技术的核心,相变温度约为-10℃的十二烷因其相变温度适宜、相变潜热大、无过冷等优点成为相变蓄冷材料的优选材料之一。然而,十二烷的低导热系数和液态流动性限制了其在蓄冷技术的应用,针对十二烷相变材料的缺陷,本文拟采用EG的高导热、多孔、轻质特性协同强化十二烷的导热系数和定形特性,并对其蓄冷特性进行研究。首先,利用高导热多孔介质——EG作为支撑材料,通过真空吸附法制备了十二烷/EG定形相变材料,并通过热处理方法确定当EG含量大于16wt%时,十二烷/EG定形相变材料具有良好的定形特性。对十二烷/EG定形相变材料的性能测试结果显示,十二烷通过物理作用吸附于EG的网络多孔结构中,EG的加入并没有改变复合相变材料的相变温度,且定形复合相变材料的相变潜热仍高于150J/g,导热系数测试结果显示,EG使定形复合相变材料的导热系数增加了15倍,实现了相变材料的定形和导热增强的同步调控。相变材料的导热系数是影响其传热特性的重要参数,本文基于分形理论对十二烷/EG定形相变材料的有效导热系数预测模型进行了推导求解。根据分形几何中的Sierpinski地毯模型,对十二烷/EG定形相变材料构建了一系列具有不同分形维数的分形单元。结合自相似原则与热阻网络理论,推导出了典型Sierpinski地毯分形单元的无量纲有效导热系数的通解。进一步通过与实验数据进行对比分析,得到了十二烷/EG定形相变材料的无量纲有效导热系数预测模型。将制备的十二烷/EG定形相变材料应用于相变蓄冷单元,通过数值模拟方法研究了十二烷/EG定形相变材料的蓄放热特性。在此基础上,论文提出利用双层相变材料结构优化相变蓄冷单元的特性。建立了双层相变蓄冷单元的数理模型,模拟结果显示,当层厚比相同是,适当的增加外层相变材料与内层相变材料的相变温度之差,可以达到相同的控温效果但是相变温差越大,控温效果会降低;当相变温差相同时,相变材料层厚比越大,当相变温差可以拓展到3K,因此可以通过改变层厚比来拓展相变材料的遴选范围。