微胶囊相变材料储热释热特性及传热过程强化.docx
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微胶囊相变材料储热释热特性及传热过程强化
中国矿业大学徐海学院
本科生毕业设计
姓名:
学号:
学院:
中国矿业大学徐海学院
专业:
热能与动力工程
设计题目:
微胶囊相变材料储热/释热特性及传热过程强化
专题:
指导教师:
职称:
2015年6月徐州
中国矿业大学徐海学院毕业设计任务书
专业年级学号学生姓名
任务下达日期:
2014年12月20日
毕业设计日期:
2015年1月20日至2015年6月10日
毕业设计题目:
微胶囊相变材料储热/释热特性及传热过程强化
毕业设计专题题目:
毕业设计主要内容和要求:
1、查阅关于相变储能材料的文献资料,完成论文开题报告;
2、完成3000字以上的英文文献翻译;
3、熟练掌握各种实验仪器的使用方法;
4、通过添加导热材料对微胶囊相变材料进行强化传热。
分析实验数据,找出强化效果最好的导热材料;
5、搭建微胶囊相变材料储放热实验平台,对其储放热特性进行测试。
得出数据,分析不同因素对微胶囊相变材料换热过程的影响。
指导教师签字:
郑重声明
本人所呈交的毕业设计,是在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果。
所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本毕业设计的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。
本论文属于原创。
本毕业设计的知识产权归属于培养单位。
本人签名:
日期:
中国矿业大学徐海学院毕业设计指导教师评阅书
指导教师评语(①基础理论及基本技能的掌握;②独立解决实际问题的能力;③研究内容的理论依据和技术方法;④取得的主要成果及创新点;⑤工作态度及工作量;⑥总体评价及建议成绩;⑦存在问题;⑧是否同意答辩等):
成绩:
指导教师签字:
年月日
中国矿业大学徐海学院毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语(①选题的意义;②基础理论及基本技能的掌握;③综合运用所学知识解决实际问题的能力;③工作量的大小;④取得的主要成果及创新点;⑤写作的规范程度;⑥总体评价及建议成绩;⑦存在问题;⑧是否同意答辩等):
成绩:
评阅教师签字:
年月日
中国矿业大学徐海学院毕业设计答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
回答问题
正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩:
答辩委员会主任签字:
年月日
学院领导小组综合评定成绩:
学院领导小组负责人:
年月日
摘要
传统的相变储能材料存在易泄露、相分离、易腐蚀、导热系数低和运输困难等问题,因此众多研究者将相变材料封装在微胶囊中,制备成相变微胶囊,来解决上述问题。
本文主要以相变温度为31℃的微胶囊相变材料为研究对象,通过采取添加石墨烯、纳米铜、膨胀石墨等高导热材料的方式来强化微胶囊的导热性能,然后搭建实验台测试纯胶囊和石墨烯/微胶囊、纳米铜/微胶囊、膨胀石墨/微胶囊复合相变材料储热/释热特性。
本文的研究内容如下:
(1)在微胶囊相变材料中添加高导热材料,制备总质量是30g的石墨烯/微胶囊、纳米铜/微胶囊、膨胀石墨/微胶囊复合相变材料,其质量分数分别是0.1%、0.5%、1%、1.5%、2.5%,对微胶囊储放热系统进行传热强化。
结果表明,相同质量分数下膨胀石墨的添加相对于石墨烯和纳米铜对微胶囊的导热性能提高最大。
(2)搭建微胶囊相变材料储热/释热测试平台,通过改变换热流体的流量,对纯微胶囊和膨胀石墨/微胶囊(0.5%)、膨胀石墨/微胶囊(1%)、膨胀石墨/微胶囊(2.5%)复合相变材料的储热/释热特性进行实验研究。
结果表明,相同流量下,随着膨胀石墨质量分数的增大,膨胀石墨/微胶囊复合相变材料的储放热时间减小。
不同流量下,相同材料储放热时间随着流量的增加而减小。
关键词:
微胶囊相变材料;膨胀石墨;储热/释热特性;传热强化
ABSTRACT
Thetraditionalphasechangematerialshavetheproblemssuchasleakage,phaseseparation,corrosion,lowthermalconductioncoefficientandtransportationdifficulty.Somanyresearchersencapsulatedthephasechangematerialsinmicrocapsules,preparedthephasechangemicrocapsules,tosolvetheaboveproblems.Theresearchobjectofthispaperisthemicrocapsulewhosephasechangetemperatureis31℃.Thethermalconductivityofthemicrocapsuleswasenhancedbythehighthermalconductivityofgraphene,nanocopper,graphite,etc.Then,theheatstorage/releasepropertiesofthecompositephasechangematerialsaretestedbybuildingexperimentplatform.Theresearchcontentofthispaperisasfollows:
(1)Graphene/microcapsules,nanoCu/microcapsule,expandedgraphite/microcapsulescompositephasechangematerialsthatitsqualityscoreswere0.1%,0.5%,1%,1.5%,2.5%andtotalqualityis30gwerepreparedbyaddinghighthermalconductivityinthemicrocapsulephasechangematerialstoenhancetheheatandmasstransferprocessofthemicrocapsuleheatstoragesystem.Theresultsshowthat,underthesamemassfraction,thethermalconductivityofmicrocapsulesisraisedthemostbytheadjunctionofexpandedgraphitecomparedtographeneandcoppernanoparticles.
(2)Amicrocapsulephasechangematerialheatstorageandreleasetemperaturetestplatformisbuilt.Thethermalstorageandreleasecharacteristicsofthepuremicrocapsulesandexpandedgraphite/microcapsules(0.5%),expandedgraphite/microcapsules(1%),expandedgraphite/microcapsules(2.5%)compositephasechangematerialswereexperimentallytestedbychangingtheflowofheatexchangefluids.Theresultsshowthatunderthesameflow,theheatreleasetimeoftheexpandedgraphite/microcapsulecompositeisshorterwiththeincreaseofthecontentoftheexpandedgraphite.Underdifferentflow,theheatreleasetimeofthesamematerialdecreaseswiththeincreaseoftheflowrate.
Keywords:
Microcapsulephasechangematerials;Expandedgraphite;Heatstorage/releaseproperties;Heattransferenhancement
目录
1绪论1
1.1引言1
1.2相变储能材料2
1.2.1相变储能材料概述2
1.2.2相变储能材料的分类2
1.2.3复合相变储能材料3
1.2.4相变储能材料的应用.4
1.3微胶囊相变储能材料6
1.3.1芯材和壁材的选择.6
1.3.1.1芯材的选择6
1.3.1.2壁材的选择.7
1.3.2微胶囊相变储能材料的制备方法.8
1.3.3微胶囊相变材料的研究现状.8
1.4相变储能材料强化传热的研究进展9
1.4.1肋片强化传热.10
1.4.2添加石墨强化传热.10
1.4.3添加金属物强化传热.11
1.5课题的研究意义与内容11
1.5.1研究意义11
1.5.2研究内容12
2微胶囊相变材料强化传热实验研究13
2.1实验材料及仪器13
2.1.1实验材料.13
2.1.2实验仪器.13
2.2实验系统的组成16
2.3实验方案及步骤17
2.3.1实验方案17
2.3.2实验步骤17
2.4结果与分析20
2.4.1石墨烯对微胶囊相变材料的强化传热影响20
2.4.2纳米铜对微胶囊相变材料的强化传热影响22
2.4.3膨胀石墨对微胶囊相变材料的强化传热影响24
2.5本章小结26
3微胶囊相变材料储热/释热特性实验研究28
3.1实验材料28
3.2主要实验设备28
3.3实验系统的搭建30
3.4实验方案及步骤31
3.4.1实验方案31
3.4.2实验步骤32
3.5结果与分析39
3.5.1膨胀石墨的配比对微胶囊换热过程的影响39
3.5.2换热流体的流量对微胶囊换热过程的影响45
3.6本章小结50
4结论52
参考文献53
翻译部分
英文原文57
中文译文70
致谢78
1绪论
1.1引言
能源是人类社会生存和发展的物质基础,随着经济技术的发展,人们生活水平的逐步提高,人类对能源的依赖越来越严重、需求也越来越大。
在人类发展的过程中,每一次技术的重大进步、每一次经济的迅速发展都和能源的利用密不可分,每一次的能源变革都意味着人类文明大踏步的向前迈进[1]。
能源的分类有多种方式:
按开发步骤可以分为:
(1)一次能源,即在自然界以自然形态存在且可以直接开发利用的能源,其包括煤、石油、天然气、风能、海洋能、太阳能、地热能、水能等;
(2)二次能源,即由一次能源直接或间接转化而来的能源,包括电力、煤气、汽油、氢气、沼气、甲醇、酒精等。
按照能源是否可再生可以分为:
(1)不可再生能源,包括煤、石油、天然气等;
(2)可再生能源,包括海洋能、太阳能、水能、风能、生物质能等[2,3]。
当今世界上很多国家都是以使用一次能源为主,但是这些能源在世界上的储量十分有限,并且在短时间内不可再生,存储总量会随着消耗的增加而逐步减少。
另一方面,随着社会、经济的不断发展,人类对化石能源的需要与日俱增,并且目前能源的利用率并不高,浪费也比较严重,这就使得世界能源的消耗与供给产生很大的矛盾。
目前,化石能源的短缺与浪费是世界各国亟待解决的难题。
再者,化石能源的使用已经造成了很严重的环境污染问题,因此世界各国开始投入大量精力研究开发太阳能、风能、地热能、核能、生物质能等新型的清洁可再生能源。
然而这些新能源因为具有很明显的季节性、地域性,这就导致在供求关系上存在时间和空间的不匹配。
所以,如何将能量储存起来、在需要的时候再将能量释放出来是世界各国开发利用可再生清洁资源的关键。
在众多的储能技术当中,相变储能(又称潜热储能)是指在相变材料(PhaseChangeMaterials,即PCMs)发生相变过程中,吸收热量或释放热量,进行热量的存储或释放,从而达到节能和控制温度的目的。
相变储能技术能够解决能量供给在时间和空间上失衡的矛盾,提高能源利用效率,绿色环保,因而成为解决能源问题的有效方法之一,因此,近年来相变储能材料逐渐成为国内外能源利用及材料科学研究的热点问题[4]。
单一相变储能材料在使用时具有过冷、相分离、易泄露、腐蚀性、体积变化和不易运输等问题。
但是作为相变储能材料中的一种,微胶囊相变材料不仅具有相变材料的优点,而且可以解决单一相变储能材料的诸多问题。
其在电力调峰、建筑节能、太阳能热利用、废热余热利用、航空航天和空调节能等领域具有巨大的应用潜能[5,6]。
1.2相变储能材料
1.2.1相变储能材料概述
相变储能材料是利用自身在发生相变的过程中的潜热来实现温度调节和能量储存的物质。
与其他储热材料相比,相变储能材料在相变过程中体积变化小、稳定性高、储能密度高,能够在温度恒定的条件下吸收或释放出大量的潜热,凝固的时候过冷度小,其在储存热量时温度几乎不变。
同时,相变储能材料还具有易于控制、热导率高、节能效果显著、相变温度适宜等优点。
目前针对相变储能的研究工作主要分为两方面:
一是热物理问题的研究,如强化传热及运行和控制、相变材料储热装置的设计以及如何提高相变储能材料的导热性能等;二是相变储能材料的研究,具体指相变材料的制备技术、相变机理、相变材料的物理性质、稳定性以及使用寿命等。
相变材料在各领域都有重要的应用,我国在相变材料及储能技术方面的研究逐步得到重视,也取得了一定的进展[7]。
1.2.2相变储能材料的分类
相变储能材料的分类方式有很多[8]:
(1)根据相变温度的范围,相变储能材料可以分为低温、中温和高温储能材料。
低温相变材料的相变温度为-20-200℃,中温相变材料的相变温度为200-500℃,高温相变材料的相变温度为500-2300℃。
(2)按物质的属性,可以分为有机小分子相变材料、无机盐相变材料和高分子相变材料。
有机小分子相变储能材料常用的有高级脂肪烃类、芳香烃类、醇类、酰胺类等等;无机物相变储能材料主要包括:
结晶水合盐类、熔融盐类、合金类等;高分子类有聚烯烃类、聚多元醇类、聚烯醇类、聚烯酸类、聚酰胺类等。
(3)根据相变形态的变化,相变储能材料可分为液-汽、固-汽、固-固以及固-液相变材料。
由于液-汽相变与固-汽相变储能材料在相变的过程中会产生大量气体,相变材料的体积变化很大,所以虽然这两类相变材料在相变过程中的相变潜热很大,但是在实际的应用中却很少使用。
相比较而言,固-固相变材料在相变过程中体积变化小,对容器的密封性、强度的要求低,但是其种类很少,能够在实际中应用的产品非常少。
固-液相变材料因为种类繁多,相变潜热大,价格低廉,在实际的应用中最为广泛。
1.2.3复合相变储能材料
虽然固-液相变储能材料有着较高的相变潜热、较宽的相变温度范围、化学稳定性好,但是在实际的应用中它的相变体积容易发生变化、液态状态下容易泄露、具有腐蚀性、固体导热系数比较低、储存和运输比较困难,为了克服上述缺点,复合相变储能材料由此出现。
复合相变储能材料可以有效地解决单一相变材料使用过程中出现的问题,同时它所具有的高储热密度和几乎恒温的储放热过程可以改善相变储能材料的应用效果并拓展其应用范围[9,10]。
复合相变储能材料可以分为无机多孔复合相变储能材料和微胶囊相变储能材料。
通过物理或者化学的方法将相变储能材料放到无机多孔材料基材的内部空隙中,并将它进行差层复合,由此可以得到无机多孔复合相变储能材料。
这种复合的方法可以保护相变储能材料不发生泄露,同时基材四壁的毛细管可以有效地提高相变材料储藏的可靠性。
无机多孔材料将相变储能材料分散成微小的颗粒,增加了传热面积,有效地提高了换热效率。
目前使用比较多的无机多孔介质主要有膨胀粘土、膨胀页岩、石膏、膨胀珍珠岩、多孔混凝土等。
目前,无机多孔复合相变材料的合成方法主要有真空吸附法、溶解浸渍法、物理吸附法、熔融注入法等。
将微胶囊技术应用在相变储能材料中,利用成膜材料将相变储能材料包裹起来而形成的微纳米复合相变储能材料称为微胶囊相变材料(Microencapsulatedphasechangematerials,MCPCMs)[11]。
包覆薄膜称为壁材或囊壁,被包覆的相变材料称为芯材或囊芯。
由于壁材的存在,相变储能材料的腐蚀、泄露、过冷和相分离等问题得到解决,同时换热面积被增大,相变过程中相变材料的体积得到控制,从而阻止了相变材料和周围环境中的物质的反应,提高了相变材料的重复使用率[12],这既改善了相变储能材料的使用性能、延伸了其应用领域,同时也为固-液相变材料与高导热材料的复合提供了有效的、可靠的途径。
1.2.4相变储能材料的应用
在一次能源日益紧缺的今天,作为蓄热材料的其中一种,相变储能材料受到世界各国科学家的广泛重视,他们积极实验研究,并将相变储能材料应用到越来越多、越来越宽的领域。
(1)相变材料在纺织物中应用
将微胶囊相变储能材料加入到纺织物中,可以降低人体皮肤温度的波动,增加人们穿着的舒适度。
Salavn等[13]制备了一系列正烷烃/三聚氰胺-甲酸树脂微胶囊相变储能材料,研究了聚氨酯粘合剂和微胶囊相变储能材料对纺织物的温度调节的影响。
实验结果发现,二者全都可以使温度的变化减缓,并且他们发现微胶囊和粘合剂的最佳的质量比是1:
2-1:
4。
毛雷等[14]制备出石蜡/三聚氰胺-甲醛树脂微胶囊相变材料,并将其注入到棉织物上,分析了注入前后棉织物的性能与结构的变化。
对结构分析表明,棉纺织物中的微胶囊相变材料的含量随着注入液中微胶囊相变材料的质量分数的增加而增加,并且分布很均匀。
微胶囊相变材料的加入对棉纺织物的结构不会产生影响,但是增强了经向、纬向的强度,稍微降低了它的断裂伸长率与透气性,这些不足以对人的舒适度产生影响。
当注入液中微胶囊相变材料的含量达到20%时,完成后的棉纺织物的熔融焓由原来的1.03J/g增加到了7.36J/g,调温性能优异。
闫飞等[15]通过超声波振荡制备出微胶囊相变材料,并且分析研究超声波对它的性能的影响。
实验结果表明,通过超声波制备的微胶囊数平均粒径为1.4微米,分布指数是2.93,粒径比较小、分散程度好。
然后他们将微胶囊相变材料注入到纺织物中,发现升温曲线和降温曲线上都存在明显的拐点。
在相同的升温时间点上,注入后的纺织物比未经处理的纺织物的温度要低;在相同降温时间点上,注入后的纺织物比未经处的纺织物的温度要高,这就说明加入微胶囊相变材料的纺织物具有良好的调温功能。
(2)相变材料在建筑中的应用
把微胶囊相变储能材料加入到建筑材料的基体中可以制备相变储能型建筑材料[16]。
Qiu等[17]使用类似悬浮聚合法,制备出了以甲基丙烯酸共聚物和甲基丙烯酸丁酯为壁材、正十八烷为芯材的微胶囊相变储能材料。
其所制备的微胶囊的结构呈核桃型褶皱球,正十八烷的包覆率是50.3%,粒径平均为30微米,相变潜热分别是125.2J/g,130.3J/g,具有良好的热稳定性。
将微胶囊注入石膏板中,所产生的热效应十分明显,经过5min和10min钟后,注入微胶囊的石膏板和没有加入微胶囊的纯石膏板之间有11K和6K的热差。
Zhang等[18]采用原位聚合法制备出以三聚氰胺-甲醛树脂为壁材、十八烷为芯材的表面十分光滑的规则球形微胶囊相变材料,其平均粒径在5微米至15微米。
采用压缩成型的方法将制备好的微胶囊按照不同的比例添加到石膏板中,同时选择玻璃纤维用来增强石膏板的机械强度。
通过实验,他们发现微胶囊相变材料均匀的分布在石膏板中间,并且随着石膏板中含有的微胶囊的数量的增多,其储放热性能增加、调温能力增强。
后经过实验分析,当微胶囊相变材料的含量是55%、玻璃纤维的含量是4%的时候,所制备的石膏板拥有很好的热稳定性、具有良好的储热能力、调温性能和机械强度,调温的曲线在22-25℃处出现30min的控温平台,相变潜热达到63.5J/g。
(3)相变材料在食品行业中的应用
为了使食物保持低温,可以将含有有机物、表面活性剂和水的相变储能材料的乳液喷洒在新鲜的食物表面,同时具有保鲜作用。
也可以将由水、无机盐和多元醇组成的相变储能材料封装在袋子中或者特制的容器内,来调节、保持食品的温度。
相变材料在相变过程中保持温度不变,将这一特性应用到使用的餐具上,就出现了速冷保温容器,这是一类功能新颖、速冷后能保温的容器。
速冷保温容器使用的是夹层结构,在夹层内放入相变储能材料,当容器加入热流体时就进行迅速冷却,储存的热能在散热时释放出来,然后使灌入容器中的液体在相变材料的熔点附近长时间的进行保温,这就实现了温度的控制。
不论加入热体的初始温度是多少(前提是温度必须高于容器夹层内相变储能材料的熔点),热流体经过速冷后将在比较长的时间范围内保持在稍微高于相变温度范围之内[19,20]。
利用上述技术制成的速冷保温奶瓶[21,22],功能齐全、使用方便。
目前市场上的水杯、奶瓶等对装入的热流体冷却速度很慢,当热流体冷却到适宜饮用的温度后维持的时间又很短,温度难以控制,使用速冷保温奶瓶能够有效得克服上述缺点。
1.3微胶囊相变储能材料
微胶囊技术是采用化学或者机械的方法将相变储能材料用聚合物薄膜材料包覆起来,制备出粒径在1至500微米范围内、常态下非常稳定的微型包裹技术[23]。
将微胶囊技术应用在相变储能材料中,利用成膜材料将相变储能材料包裹起来而形成的微纳米复合相变储能材料称为微胶囊相变材料。
包覆薄膜称为壁材或囊壁,被包覆的相变材料称为芯材或囊芯。
微胶囊相变储能材料相较而言有如下优点:
(1)微胶囊的壁材将相变储能材料包覆在里面,能够有效地解决固-液相变材料在相变过程中出现的液体泄漏、腐蚀和相分离等问题;
(2)微胶囊将相变储能材料与外界的环境隔离开来,阻止了其与周围环境的反应,提高了相变材料重复使用率;
(3)微胶囊相变材料的粒径很小,但是具有较大的比表面积,所以增加了材料的传热面积。
1.3.1芯材和壁材的选择
1.3.1.1芯材的选择
微胶囊相变材料的芯材可以是水溶性、油溶性的化合物或是混合物,其物理状态也可以呈固态、液态或者气态或者三者的混合物。
不过微胶囊的壁材和芯材的溶解性必须是相反的,即油溶性的芯材只能使用水溶性的壁材来包覆,水溶性的芯材只能使用油溶性的壁材来包裹。
为了使相变材料能够进行微胶囊化,壁材的表面张力应当小于芯材的表面张力,而且芯材还不能与壁材发生反应[24]。
常用的相变材料按照成分种类划分,如表1-1。
表1-1常用的相变材料[25,26]
类型
无机类
有机类
无机-有机杂化类
材料列举
水合盐:
Na2SO4•10H20、Na2HPO4•12H20
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