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我国西部拥有大量的盐湖资源,现代工业技术需要大量的锂资源,盐湖镁锂大多共生,提取锂之后剩余大量镁基副产物资源废弃没有得到充分利用而污染环境,成为生产企业的一个难题。相变储能技术是能源高效综合利用和环境保护的重要手段之一,有着广阔的应用前景;而储能材料是潜热技术应用的关键。无机相变储能材料具有适用范围广,价格便宜等诸多优势,但多存在相分离、过冷、腐蚀性以及导热系数低等问题。本课题在国家国防科技创新团队专项的资助下,对盐湖工业镁基副产物资源开发相变储能材料进行了应用基础研究,研究结果如下:
(1)采用混合熔融法制备镁基了PCM材料,采用差示扫描量热法(DSC)讨论Mg(NO3)2·6H2O和MgCl2·6H2O的比例对相变温度和相变焓的影响,筛选出最佳的比例为60%Mg(NO3)2·6H2O和40%MgCl2·6H2O,其相变焓147.1J/g,相变温度为56.8℃。
(2)对筛选出的镁基PCM进行综合热分析,对PCM高温稳定性进行研究,发现PCM在196℃之前不会发生不可逆分解,结合XRD和SEM分析,得出材料的最高使用温度为196℃。
(3)利用自制装置对PCM的过冷度进行研究并筛选合适的成核剂,研究结果表明:镁基PCM过冷度约为4.2℃,开始结晶温度为52.6℃,结晶温度为56.8℃。在所选的成核剂中,碳元素物质对PCM的成核效果最好,0.5%石墨作为成核剂PCM的过冷度为0.5℃,1%的活性炭作为成核剂PCM的过冷度为1.4℃,其他几类物质对PCM成核效果不明显。
(4)采用反复加热冷却循环的方法对PCM相分离现象及有效增稠剂的筛选进行了研究,研究结果表明:镁基PCM的相分离现象比较明显,在实验过程中经历多次加热冷却循环相变温度和相变焓分别由56.8℃和147.1J/g变化至51.31℃和99.45J/g。4种增稠剂对PCM的作用不尽相同,1%CMC和1%KGM能对PCM起到很好的稳定作用,在100次循环后PCM的相变焓仍保有110J/g以上,较不添加增稠剂要高10J/g左右;硅胶和聚丙烯酰胺对PCM起不到稳定作用,无法作为增稠剂使用。
(5)以瞬态法测定PCM的热导率以及鳞片石墨和膨胀石墨对PCM的热导率的增强作用。结果表明:PCM在室温时的热导率为0.35W/(m·K)。添加2.5%鳞片石墨后PCM的热导率增长至2.33 W/(m·K);添加2.5%的膨胀石墨PCM的热导率为1.76W/(m·K),并且增强材料含量对大体积块体PCM热导率的作用不是简单的线性关系,而是一个分段函数。
(6)对PCM与金属的相容性进行了初步研究,选用了不锈钢、碳钢、铜片和铝片分别进行实验。得出结论:不锈钢对PCM的耐蚀性能最佳,平均一年腐蚀深度不超过0.0013mm,碳钢耐蚀性最差,一年腐蚀0.33mm。
综合各种实验数据及理论分析,镁基PCM材料在环境保护,盐湖工业镁基副产物资源的开发,特别是在能源的综合利用方面具有较好的潜在应用前景。