固液相變材料具有儲(chǔ)熱密度高、相變過(guò)程溫度幾乎不變且體積變化小、熔點(diǎn)分布廣、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),在可再生能源儲(chǔ)熱、工業(yè)余熱利用以及電子器件熱管理等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。常用的有機(jī)相變材料雖然具有較大的比熱容和相變潛熱,但是它們的導(dǎo)熱系數(shù)通常很低,嚴(yán)重影響儲(chǔ)熱系統(tǒng)的整體換熱性能,也因此制約了它們的實(shí)際應(yīng)用。隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展,添加具有高導(dǎo)熱系數(shù)的納米顆粒成為了一種改善相變材料傳熱性能的新興手段。以往關(guān)于納米復(fù)合相變材料的研究主要集中在材料的制備與熱物性表征上,近年來(lái)與納米復(fù)合相變材料相關(guān)的固液相變傳熱問(wèn)題則受到了越來(lái)越多的關(guān)注。受制于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和手段,現(xiàn)階段納米復(fù)合相變材料的相變傳熱過(guò)程研究多采用數(shù)值模擬方法,然而計(jì)算得到的結(jié)果往往與實(shí)測(cè)值偏差很大,甚至呈現(xiàn)完全相反的趨勢(shì)。這一現(xiàn)象表明數(shù)值模擬研究結(jié)果并不能真實(shí)地反映和預(yù)測(cè)納米復(fù)合相變材料的相變傳熱行為與儲(chǔ)釋熱性能。此外,目前關(guān)于納米復(fù)合相變材料相變傳熱特性的研究更多關(guān)注熔化速率上的改變,儲(chǔ)熱速率如何變化還鮮有研究和報(bào)道�；谝陨显�,有必要采用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究添加納米顆粒對(duì)相變材料熔化傳熱特性和儲(chǔ)熱性能的影響規(guī)律及機(jī)理。本文以十四醇(熔點(diǎn)35℃)和十二醇(熔點(diǎn)22℃)為載體相變材料,采用“兩步法”制備了石墨烯納米片質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0wt.%、0.5wt.%、1wt.%、3wt.%的納米復(fù)合相變材料,并對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性以及關(guān)鍵熱物性參數(shù)(包括導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、熔化潛熱、熔點(diǎn)、比熱容以及密度)進(jìn)行了表征。選取水平板上底部加熱和球形容器內(nèi)周向加熱這兩類經(jīng)典物理模型,采用實(shí)驗(yàn)方法研究了上述兩類問(wèn)題在等溫加熱條件下的約束熔化和非約束熔化傳熱過(guò)程。研究結(jié)果顯示,對(duì)于水平板上和球形容器內(nèi)的約束熔化傳熱過(guò)程,雖然添加納米顆粒提高了相變材料的有效導(dǎo)熱系數(shù),但是粘度的增加也削弱了熔化傳熱過(guò)程中的自然對(duì)流效應(yīng)。在本文所研究的大部分工況范圍內(nèi),添加石墨烯納米片對(duì)導(dǎo)熱的強(qiáng)化作用不足以彌補(bǔ)自然對(duì)流傳熱的削弱損失,整體熔化速率反而會(huì)下降。同時(shí),由于添加納米顆粒會(huì)減小單位質(zhì)量和單位體積下相變材料的比熱容和熔化潛熱,即使在熔化速率加快的工況下,復(fù)合相變材料的儲(chǔ)熱速率也并不一定能得到提升。只有在自然對(duì)流強(qiáng)度最弱的工況下(傳熱溫差和納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較低)才能同時(shí)獲得熔化速率和儲(chǔ)熱性能上的提升。此外,通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了熔化率和努塞爾數(shù)的關(guān)聯(lián)式,預(yù)測(cè)精度在±20%以內(nèi)。對(duì)于水平板上的非約束熔化(接觸熔化)傳熱過(guò)程,添加納米顆粒雖然可以明顯提高相變材料的有效導(dǎo)熱系數(shù),但是同時(shí)會(huì)以更大的幅度增加相變材料的粘度,阻礙固態(tài)材料擠壓并排出液相材料,增加液膜厚度,增大傳熱熱阻。導(dǎo)熱能力強(qiáng)化和液膜厚度增加之間的相對(duì)關(guān)系是決定添加納米顆粒如何影響接觸熔化傳熱過(guò)程的關(guān)鍵因素。在本文所研究的工況范圍內(nèi),添加較低濃度的納米顆�？梢云鸬綇�(qiáng)化傳熱的效果,提高相變材料的熔化速率和儲(chǔ)熱速率,而添加較高濃度的納米顆粒反而會(huì)惡化傳熱性能和儲(chǔ)熱性能。此外,通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了熔化率的關(guān)聯(lián)式,預(yù)測(cè)精度在±20%以內(nèi)。對(duì)于球形容器內(nèi)的非約束熔化傳熱過(guò)程,添加納米顆粒雖然提高了相變材料的有效導(dǎo)熱系數(shù),但是所帶來(lái)的粘度增長(zhǎng)也會(huì)削弱熔化過(guò)程中的自然對(duì)流,同時(shí)還會(huì)阻礙固態(tài)材料擠壓并排出液相材料,增加球體底部接觸熔化處的液膜厚度,增大傳熱熱阻。在本文所研究的大部分工況范圍內(nèi),添加石墨烯納米片對(duì)導(dǎo)熱強(qiáng)化作用不足以彌補(bǔ)兩方面惡化作用帶來(lái)的綜合損失,熔化速率和儲(chǔ)熱速率均隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而不斷降低。此外,通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了熔化率和努塞爾數(shù)的關(guān)聯(lián)式,預(yù)測(cè)精度在±15%以內(nèi)。綜上所述,對(duì)于納米復(fù)合相變材料的熔化傳熱過(guò)程,在導(dǎo)熱系數(shù)提高帶來(lái)的正面作用和粘度增長(zhǎng)帶來(lái)的負(fù)面作用的綜合影響下,添加納米顆粒并不一定能加快熔化速率和儲(chǔ)熱速率。當(dāng)采用實(shí)測(cè)得到的等效熱物性進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí),可以通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得具有一定預(yù)測(cè)精度的關(guān)聯(lián)式,為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB34
【部分圖文】：

固－液相變材料具有儲(chǔ)熱密度高、相變過(guò)程中溫度幾乎不變且體積變化小、熔點(diǎn)分布??廣、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在可再生能源儲(chǔ)熱［９］［１（）］、電子器件熱管理［ｕ］、工業(yè)余熱利用［１３］［１４］??以及建筑節(jié)能［１５］［１６］等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用（見(jiàn)圖１－２）。??編?ＥＫＰ７??相變材料的熔點(diǎn)范圍??圖１－２不同熔點(diǎn)范圍內(nèi)相變材料的典型應(yīng)用??常見(jiàn)的固－液相變材料可大體分為無(wú)機(jī)類和有機(jī)類（見(jiàn)圖１－１）。無(wú)機(jī)相變材料主要包??括熔融鹽、結(jié)晶水合鹽和金屬合金等。其中，得益于相變潛熱大、導(dǎo)熱系數(shù)高、價(jià)格相對(duì)??便宜等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)晶水合鹽獲得了非常廣泛的應(yīng)用，但是也受困于大部分無(wú)機(jī)鹽類相變材料??面臨的普遍性問(wèn)題，比如在循環(huán)工作期間易發(fā)生“過(guò)冷”和“相分離”現(xiàn)象［１７］。有機(jī)相變??材料在這些方面展現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)，具有物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、腐蝕性低以及價(jià)格低廉??等優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)相變材料主要分為石蠟類和非石蠟類。石蠟主要由直鏈烷烴混合而成，非石??蠟類則主要包括各類脂肪酸、酯、多元醇和部分高分子化合物等。??１．１．２強(qiáng)化相變傳熱的典型方法??常用的有機(jī)相變材料雖然具有較大的相變潛熱和比熱容，但是它們的導(dǎo)熱系數(shù)通常很??２??

浙江大學(xué)博士學(xué)位論文?緒論??低［１８］（集中在圖１－３中的綠色區(qū)域內(nèi)），嚴(yán)重影響儲(chǔ)熱系統(tǒng)的整體傳熱性能，也因此制約??了它們的實(shí)際應(yīng)用。??Ｚｉｎｃ?Ｓｉｌｖｅｒ??｜?ＰＵＲＥ?ＭＥＴＡＬＳ??Ｎｉｃｋｅｌ?Ａｌｕｍｉｎｕｍ??ＡＬＬＯＹＳ??Ｐｌａｓｔｉｃｓ?Ｉｃｅ?Ｏｘｉｄｅｓ??ＮＯＮＭＥＴＡＬＬＩＣ?ＳＯＬＩＤＳ??Ｆｏａｍｓ?Ｆｉｂｅｒｓ??ＩＮＳＵＷＴ１ＣＮ?ＳＹＳＴＥＭＳ??Ｏｉｌｓ?Ｗａｔｅｒ?Ｍｅｒｃｕｒｙ??Ｃａｒｂｏｎ?ＵＱＵＩＤＳ??ｄｉｏｘｉｄｅ?Ｈｙｄｒｏｇｅｎ?＼??｜?ＧＡＳＥＳ??０．０１?０．１?１?１０?１００?１０００??ｋ?（Ｗ／ｍＫ）??圖１－３常用有機(jī)相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)的主要分布區(qū)間??為了提高儲(chǔ)熱系統(tǒng)的換熱效率，研究者們嘗試采用多種方法強(qiáng)化固－液相變傳熱過(guò)程，??包括在基底材料中添加翅片［１９］［２（）］、泡沫金屬［２１］［２２］、熱管［２３］［２４］、多孔石墨［２５］［２６］和氣凝膠［２７］??等。隨著納米技術(shù)快速發(fā)展，添加具有高導(dǎo)熱系數(shù)的納米顆粒［２８］成為了一種改善相變材料??傳熱性能的新興手段。??添加翅片或泡沫金屬是傳統(tǒng)而可靠的強(qiáng)化傳熱方法，它們的思路相近，都是嘗試＃加??熱表面延伸至相變材料內(nèi)部。??Ｈｏｓｓｅｉｎｉｚａｄｅｈ等［２９］采用實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方法研究了在矩形腔裝置內(nèi)豎直方向上添??加翅片（研究變量包括翅片的數(shù)量、翅片的高度以及翅片的厚度等）對(duì)熔化傳熱過(guò)程的影??響。結(jié)果表明

為了深入探究相變材料在泡沬金屬孔隙內(nèi)熔化過(guò)程中的具體行為，Ｆａｎ等［３７］和Ｊｉｎ［３８］??等采用結(jié)合了放大鏡頭的紅外熱像儀拍攝了相變材料在泡沬金屬孔隙內(nèi)熔化過(guò)程中的溫??度分布及發(fā)展過(guò)程（見(jiàn)圖１－５），并闡釋了孔隙尺寸、孔隙率和加熱邊界條件等變量在宏觀??４??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2849149