石蜡/膨胀石墨复合相变储热单元的放热性能

研究背景

太阳能是一种清洁、无污染、环保、持久的清洁能源，其大规模利用可以显著降低对传统能源的依赖，被世界公认为未来最有竞争力的新能源之一。但是由于太阳能密度低，具有间歇性、不稳定性，其利用和推广受到自然条件的制约，因此太阳能的开发利用尚存在很多技术问题亟待解决。

储能技术可以在能量富余的时候，用特殊的储能装置将能量储存起来，需要的时候将其释放并加以利用，从而缓解能源供求不匹配的问题，是提高能源利用率的有效手段。相变储热材料由于储能密度大、性能稳定、相变温度适宜且性价比高，因此发展最为成熟，且更接近实际生产利用。石蜡（praffin，PA）是一种化学性质稳定、无腐蚀性、无毒无害、无过冷现象、相变潜热高、价格低廉的优质相变储热材料。但其应用仍受限于大部分相变储热材料所面临的共同问题，即导热性能差、与封装材料不兼容、储热单元和储热系统界面热阻高、使用寿命短、储/放热速率不可控等一系列问题。

近年来，学者在增强储热材料导热性能方面进行了大量研究，结果发现，在石蜡相变材料中添加高导热系数材料，如石墨、泡沫金属、金属颗粒等，均可有效提高石蜡的导热系数，提高导热能力，缩短相变时间，减小相变材料内部温差，使温度分布更为均匀。但是由于部分金属和相变储热材料之间不相容，密度普遍较高，因此限制了金属在强化传热方面的实际应用。而膨胀石墨（expanded graphite，EG）不仅导热系数高，并且结构疏松多孔，对于石蜡具有优良的吸附性。石蜡在50 ℃左右发生相变时，膨胀石墨也不会和石蜡发生化学反应，因此对复合材料的储热能力没有影响。

创新点及解决的问题

创新性地探究了储热单元放热性能和储热单元直径之间的关系，寻找出最适合工业生产使用的储热单元直径。

重点内容导读

本文采用烘箱模拟太阳能提供热量，系统探究了流体温度为25 ℃（晚间干燥窑内的实际温度），风速为0.8 m/s时石蜡/膨胀石墨储热单元的放热性能，并探究了膨胀石墨添加量以及储热单元管径对储热单元放热性能的影响，为该储热单元在实际生产中的利用提供理论依据。

结论

（1）在石蜡相变储热材料中添加3%、5%膨胀石墨后，复合相变储热材料的相变温度较石蜡相比有轻微降低；潜热值较纯石蜡分别减少了6.8%和10.14%；导热系数较纯石蜡分别提高了178.10%和214.30%。

（2）石蜡储热单元直径对其放热性能有显著影响。在石蜡储热单元中，随着储热单元直径的增大，储热单元温度降至30 ℃所需时间线性增加，储热单元直径为20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、50 mm时，完全放热所需时间分别为117 min、144 min、162 min、180 min和243 min，放热时间和储热单元直径基本满足线性方程：y=4.109x+37.698，R2为0.9973。

（3）膨胀石墨对储热单元放热性能的改善效果随直径变化而不同，在一定范围内随储热单元直径的增大而效果逐渐显著，达到极值后随直径的增大效果逐渐减弱，本实验条件下，最优储热单元直径在35～50 mm之间。结合实际生产需求，最优直径为35 mm，添加3%和5%膨胀石墨分别可以缩短放热时间23.3%和36.7%。但是3%和5%膨胀石墨添加量的储热单元放热时间和储热单元直径线性相关性较差，即添加膨胀石墨后，储热单元的放热时间不随储热单元直径线性变化。

不同膨胀石墨含量储热单元放热时间随直径变化图

 Variation of heat release time of heat storage unit with diameter

标签：相变,石墨,放热,储热,石蜡,单元
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