石蜡/月桂酸—膨胀石墨复合相变材料的制备及性能研究

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相变储能技术是利用材料在环境温度变化时,通过吸收或释放能量导致物质状态发生改变从而存储热量的技术,它可以提供较高的单位质量存储容量,具有在恒定温度下将热量存储为熔融潜热的特点,在日常的生活及企业生产、科技、军事等领域均大范围应用。对于冬季室外较为严寒、室内需热量较大的严寒方地区,建筑供暖常与太阳能等清洁热源连接,而当能源需求与供应不相匹配时,将相变蓄热技术应用到低温建筑供暖领域可以有效节省燃料避免浪费资源,提升能源利用效率并可减少建筑物供暖系统整体在运行过程中的成本。基于此,本课题旨在通过分析相变储能传热机理,结合当地气候条件,选择适合与当地太阳能-建筑供热系统耦合的储能材料。本文首先通过相变材料的遴选原则,选择出相变温度在43±0.5℃的石蜡、月桂酸作为相变材料,支撑材料则选取高导热性、含有蜂窝状疏松多孔的膨胀石墨,通过熔融混合法对复合相变材料石蜡-膨胀石墨及月桂酸-膨胀石墨进行制备,利用FT-IR、SEM对复合相变材料的物相和表观形貌进行表征,利用激光导热仪及DSC对材料的热性能进行了检测,并通过调整膨胀石墨在材料样品中的质量比例来研究其含量与材料样品性能间的规律,结合材料的经济性能进行综合对比,对建筑供暖低温环境下的蓄热材料选择提出建议。试验结果表明:通过微波膨化法所制得的膨胀石墨呈现明显的蠕虫状,内部呈现丰富疏松的多孔蜂窝状结构,可对相变材料进行;经FT-IR检测发现复合材料中无新物质生成,仅为原有材料的简单物理嵌合,化学相容性较好;经SEM检测后发现膨胀石墨含量较低/过量时吸附后仍会存在裸露的相变材料/疏松的网格结构;而均匀吸附时,复合材料仍保持蠕虫状结构,物理相容经较好;经过导热性能检测及DSC检测发现,膨胀石墨加入后对材料相变温度的影响不大,对导热系数的提升则较为明显,相变潜热则随之下降,膨胀石墨的添加比例由4%20%时,石蜡-膨胀石墨/月桂酸-膨胀石墨的传热系数分别由0.238、0.345 W·(m·k)-1升至1.789、1.548 W·(m·k)-1、相变潜热则由136.912、149.729 J·g-1降至102.940、113.836J·g-1,在保证复合材料及储热能力的前提下,膨胀石墨添加量以不超过18%为宜。综合结合热性能及经济性,相同膨胀石墨含量下月桂酸-膨胀石墨热性能较石蜡-膨胀石墨更佳;而在相同蓄热能力的前提下,石蜡-膨胀石墨复合相变材料有更低的潜热蓄热成本;在相同蓄热成本的前提下,月桂酸-膨胀石墨的蓄热能力更佳。
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