熔融碳酸盐热物性强化的分子动力学研究

作     者：刘凌妤 

作者单位：东北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋粉红

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：碳酸盐 高温熔融 纳米流体 分子动力学模拟 储热性能 导热性能 

摘      要：在太阳能热发电领域中,熔融盐作为一种常见的高温热媒介,因其工作温度范围广,价格低廉,溶解热大,腐蚀性小等优良特性被广泛应用。熔盐的热物性参数(如比热容、热导率等)对于能量转换效率有着重要的影响,而目前熔盐作为太阳能热发电传储热系统中的介质材料存在着比热以及导热系数较低的缺点。因此本课题采用分子动力学方法模拟计算碳酸盐类纳米流体的比热以及导热系数,并从分子层面对纳米流体的储热和导热性能强化机理进行研究。首先本文采用分子动力学方法建立了二元碳酸钠和碳酸钾混合模型,并且为了提高碳酸盐的储热传热性能,提出设计了基于非晶Si O纳米颗粒和二元碳酸盐的复合材料。模拟计算出二元混合碳酸盐的比热以及在碳酸盐中掺杂不同质量分数、不同半径的纳米Si O颗粒后该复合流体的比热容变化。结果表明,纳米Si O的加入能够有效强化碳酸盐的比热,并且在纳米Si O颗粒添加量一定时其比热容增强幅度随Si O粒径的增大而降低,在纳米Si O粒径相同情况下,存在一个最佳纳米Si O颗粒最佳添加量,纳米流体比热最大增幅可达24.38%。同时还重点分析了纳米流体储热性能的强化机理,研究结果说明,纳米Si O颗粒周围存在压缩界面层,界面层中的基液离子的运动受到纳米颗粒的约束,需要外界输入更多的能量,故碳酸盐基液的储热性能够得到强化,同时纳米颗粒的分散可以提供更多的比表面积,让熔盐离子在其表面附近聚集,从而提供额外的能量存储。纳米熔盐复合液体中静电相互作用的增强也是引起比热容增加的另一原因。然后模拟计算了二元混合碳酸盐的导热系数以及不同工况下的纳米熔盐流体导热系数。结果证明纳米Si O的加入能够有效强化碳酸盐的导热性能,纳米流体导热系数增强幅度并未与纳米Si O粒径有明显关联,但随纳米Si O添加量增加而增大,导热系数最大增幅可达55.1%。对纳米Si O颗粒强化熔盐导热性能进行机理研究发现,首先纳米流体中的界面层本身热物性并不是强化导热的原因,界面层还会产生界面热阻对导热性能进行削弱。对体系进行的微观结构分析证明了纳米熔盐流体的平均布朗运动也并非导热性能强化原因,同时纳米Si O颗粒的加入会使熔盐中阴、阳离子间的距离缩短。最后碳酸盐中阳离子势能的降低证明了基盐中阳离子会被纳米Si O颗粒吸引聚集并且引起了在界面层内的-反射-碰撞,从而导致纳米流体导热系数的强化。