新型改性固体高温显热蓄热材料的制备与性能研究

作     者：侯宗臣 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：俞自涛;张良;邓亮

授予年度：2023年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 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）] 

主      题：改性混凝土 显热蓄热 导热系数 比热容 蓄放热性能 

摘      要：储能技术作为促进能源结构优化和发展的关键环节,能够解决能源需求侧与供给侧在时间和空间上不匹配的问题,在日常生产生活中热能的需求占有重要比例,发展安全可靠、成本较低、高效的储热技术具有重大意义。储热技术的核心是储热材料,其中混凝土储热材料是一种价格低廉、性能优良的显热储热材料,但由于其导热系数较低,导致整体蓄热装置充放热性能较差。本文在普通混凝土的基础上,通过添加高导热材料对其改性,从而提高蓄热材料的导热系数,制备出一种新型的固体高温显热蓄热材料,改善了蓄热装置整体的换热效果,满足充放热过程的性能需求。制备出基准样混凝土,并对其物性参数进行测量,在基准样混凝土配比上,添加三种不同粒径的石墨粉,实验结果表明添加粒径更大的50目石墨粉对样品导热系数的提高效果更显著,在添加质量分数14%的50目石墨粉,改性材料的导热系数为3.259 W/(m·K),相较于基准样混凝土导热系数1.296 W/(m·K),整体提高了151%。为减少实验制备样品比热容的测量误差,采取对各组成成分的比热容进行测量,然后按照配比计算整体样品的比热容。在蓄热温区150～400℃,添加石墨粉有利于蓄热材料比热容的提高,但会导致蓄热材料抗压强度的下降。另外添加质量分数为3%的钢纤维,在提高蓄热材料抗压强度的同时,还能提高蓄热材料的导热系数。以基准样混凝土、改性材料分别浇筑两个储热单元模块,搭建小型蓄热系统比较两种材料的充放热特性。实验结果表明改性材料热扩散系数更大,在充热时表现为温升速率更快。同时在相同的初温下,以进口流量30 L/h开始放热,改性材料蓄热装置平均放热功率为1.74 k W,相较于基准样混凝土蓄热装置平均放热功率1.10 k W,整体提高了58.2%。对改性材料蓄热装置增大进口流量,提高了对流换热系数,但整体放热功率提高效果不显著,这也说明了蓄热装置的换热过程的主要热阻是蓄热材料的导热热阻。