三水合乙酸钠在相变单元中的传热特性研究

发布时间：2017-08-11 08:15

  本文关键词：三水合乙酸钠在相变单元中的传热特性研究

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【摘要】：潜热的利用能够解决能量供给与需求不匹配的问题,无机水和盐作为一类相变潜热大中低温相变材料(PCM),相变温度多处于人们日常生活或者工业生产所需的温度,故而得到了广泛的应用。三水合乙酸钠(CH3COONa·3H2O, sodium acetate trihydrate,SAT)作为其中的代表之一,具有极大的应用潜力。但是,SAT的过冷度较大,多次使用会产生相分离现象,严重影响其循环利用,并导致储热能力逐渐变差。同时,SAT导热能力有限,这就导致实际应用中不能将热量在短时间贮存或者释放。解决好以上两个问题也对改善无机盐类PCM储热能力具有重要意义。本文研究了多种不同的方法抑制SAT的过冷和相分离现象,并应用不同手段增强了PCM的导热能力。所做的主要工作如下：(1)设计了不锈钢材质的相变单元体,作为模拟蓄热器。研究SAT在其中的储热特性,发现在相变单元完全融化后,SAT静置于室温状态下冷却后3小时后都没有结晶放热,虽然单元体的导热性能优良,但SAT都不能将贮存的热量释放,说明本身过冷度较大。为降低其过冷度,筛选了一系列无机水合盐作为优良的成核剂,其中,十二水磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)的效果最优,这是因为醋酸钠溶液对于Na2HPO4·12H2O较强的脱水作用。为了保持体系的稳定性,需使用增稠剂使体系保持一定的储热能力。很多有机物(聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、阿拉伯树胶、明胶和蔗糖)都可以作为增稠剂使用,但是,较为可靠的是明胶和羧甲基纤维素(CMC)。(2)通过制备混合相变材料和增加肋片的方式来强化单元体的传热能力,提高SAT的蓄放热速率。SAT, Nano-Cu或者Nano-SiO2以及分散剂和增稠剂组成的复合相变材料可将蓄放热速率提高20%以上。加入纳米铜后,在固态区,SAT的导热系数就有所提高,这种混合体系兼具解决过冷度大的能力。在单元体内增加不锈钢网格式肋片后,单元体在潜热蓄放热速率最高可提高近一倍以上,这在实际应用中具有极大的价值。这些纳米材料(Nano-Cu和Nano-SiO2)外加增稠剂(多用CMC)与SAT组成混合体系,也有较低的过冷特性和稳定性。但是,需要保证纳米材料均匀分散于熔融状态下的SAT中。(3)研究了一些外加扰动的作用对SAT相变性能的影响,主要有超声波照射法、机械搅拌法以及机械振动法。三种手段的目的都是在容器内部产生一个稳定的结晶核心。1)超声波照射SAT熔体是利用了超声波作为一种“能量”形式,促进结晶。另外还可提高盐在溶液中的溶解度,使析出的盐能够再次溶解从而解决了相分离的问题；2)机械搅拌法是在机械转轴处提供一个结晶核心,并能使析出的盐重新溶解,改善相分离现象；3)振动法为结晶提供了一个稳定的动力来源,对容器壁振动使析出的晶体不断脱落,抑制析出现象的发生。(4)以实际应用的场合、经济性、和蓄热器的特点几个方面分析了成核方法的适用范围：以应用场合、经济性和可行性等方面分析了几种强化单元体传热手段的优劣。
【关键词】：三水合乙酸钠 过冷度 成核方法 强化传热
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第1章 绪论13-27
• 1.1 研究背景与研究意义13-14
• 1.1.1 研究背景13-14
• 1.1.2 研究意义14
• 1.2 相变储能材料研究现状14-20
• 1.2.1 相变储能材料的分类14-16
• 1.2.2 相变储能材料的相关研究16-17
• 1.2.3 相变储能材料的应用17-20
• 1.3 三水合乙酸钠的国内外研究现状20-24
• 1.3.1 物性参数及特点20-23
• 1.3.2 降低过冷度与改善相分离的研究23-24
• 1.4 相变储能的强化手段24-25
• 1.4.1 添加剂24
• 1.4.2 肋片强化传热24-25
• 1.4.3 相变微胶囊技术25
• 1.4.4 相变材料的复合25
• 1.5 主要研究内容与创新点25-27
• 1.5.1 主要研究内容25-26
• 1.5.2 创新点26-27
• 第2章 添加剂对三水合乙酸钠过冷和相分离的改善27-39
• 2.1 实验内容与实验器材27-30
• 2.1.1 相变单元的设计27-28
• 2.1.2 材料与仪器28-29
• 2.1.3 实验过程29-30
• 2.2 三水合乙酸钠的储热特性30-32
• 2.2.1 过冷特性30-31
• 2.2.2 热物性31-32
• 2.3 成核剂与增稠剂的作用效果32-37
• 2.3.1 成核剂的作用效果32-35
• 2.3.2 增稠剂的作用效果35-37
• 2.4 小结37-39
• 第3章 纳米添加剂对三水合乙酸钠导热性能的改善39-51
• 3.1 纳米技术强化传热的原理39-41
• 3.1.1 纳米材料与纳米技术39-40
• 3.1.2 纳米技术强化传热的作用机理40-41
• 3.2 实验器材与内容41-42
• 3.2.1 实验材料及仪器41
• 3.2.2 纳米材料/三水合乙酸钠复合相变材料的制备41-42
• 3.2.3 融化-凝固实验42
• 3.2.4 导热系数测试42
• 3.3 纳米铜/三水合乙酸钠复合相变材料的相变及传热特性42-46
• 3.3.1 复合相变材料的融化、凝固特性42-43
• 3.3.2 纳米铜的成核作用43-44
• 3.3.3 混合相变体系的最佳初始温度的研究44-46
• 3.3.5 导热系数测试结果46
• 3.4 其他纳米材料的成核效果46-48
• 3.4.1 纳米氧化铜46-47
• 3.4.2 纳米二氧化硅47-48
• 3.5 成核剂成核效果的对比48-49
• 3.6 小结49-51
• 第4章 超声波照射对相变单元相变及传热过程的影响51-60
• 4.1 超声波照射的作用原理51-53
• 4.1.1 超声波的工作机理51-52
• 4.1.2 超声波对结晶和传热过程影响的研究52-53
• 4.2 实验内容53-54
• 4.2.1 实验设备53
• 4.2.2 实验过程53-54
• 4.3 超声波照射的作用效果54-59
• 4.3.1 对结晶过程的影响54-56
• 4.3.2 对抑制析出的影响56-57
• 4.3.3 对传热过程的影响与分析57-59
• 4.4 小结59-60
• 第5章 机械搅拌与超声振动对相变过程的影响60-67
• 5.1 机械搅拌的作用效果60-62
• 5.1.1 实验过程60-61
• 5.1.2 实验结果与分析61-62
• 5.2 超声振动的作用效果62-64
• 5.2.1 实验过程62-63
• 5.2.2 实验结果与分析63-64
• 5.3 成核手段的对比64-66
• 5.3.1 成核效果64-65
• 5.3.2 理论依据及实验方法65
• 5.3.3 实际应用65-66
• 5.4 小结66-67
• 第6章 肋片对相变单元传热过程的影响67-75
• 6.1 肋片强化传热方案设计67-68
• 6.1.1 肋片强化传热的基本原理67
• 6.1.2 肋片的设计67-68
• 6.2 相变单元内三水合乙酸钠融化过程数值模拟68-71
• 6.2.1 模型的建立68-69
• 6.2.2 结果分析69-71
• 6.3 实验研究71-73
• 6.3.1 融化过程72-73
• 6.3.2 凝固过程73
• 6.4 强化传热手段的对比73-74
• 6.5 小结74-75
• 第7章 结论与展望75-77
• 7.1 结论75-76
• 7.2 展望76-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-89
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目89

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本文编号：655056