碳酸锂钠共晶盐复合相变材料的储放热特性

导读

储热技术是缓解能源供需矛盾的一种重要措施，作为连接能源“开源”和“节流”策略的重要纽带，其既缓解了热能供给和使用在时间、空间上的不匹配矛盾，也提高了系统能量利用的效率，具有良好的经济效益，是实现清洁替代和电能替代的关键技术之一。其中，潜热储热是利用储热材料相变过程释放/吸收潜热进行热量的存储和释放，其储热密度远高于显热储热，并且潜热的充放热过程温度稳定，因而成为国内外学术界和工业界的研究重点。

 相变储热技术想要得到更进一步的发展则需要克服包括从储热材料到储热单元、储热系统等在内的一系列问题。对于储热相变材料，其往往存在着热导率低和与封装材料不兼容等缺点。近年来的研究表明，开发无机盐/陶瓷基复合相变材料能有效克服相变材料方面存在的问题。这种复合材料在热能的存储过程中，陶瓷基体内部的超微多孔通道产生的毛细张力能保持相变材料在相变过程中不流出，从而可以保证复合相变材料整体结构的稳定性。这种复合相变材料可以根据不同的应用需要和场合制备成不同的形状，其应用温度可以根据相变材料的相变温度来进行调节，在应用过程中，利用陶瓷基体和导热增强材料的显热以及相变材料的相变潜热来实现热能的存储。李爱菊等制备研究了一种Na2SO4/SiO2的复合相变材料。其实验结果表明该复合相变材料在冷热循环过程中能有效的保持结构的稳定性。当复合材料中的相变材料质量含量为50%时，其储热密度可以达到224 kJ/kg。同样的，柯秀芳等制备了Na2SO4/SiO2的复合相变材料，并对其储热过程进行了理论研究。YE等制备研究了一种基于Na2CO3/MgO/碳纳米管的复合相变材料，其结果表明添加碳纳米管导热增强材料对复合相变材料的整体热稳定性没有影响，复合相变材料的整体热导率随碳纳米管质量含量的增加而增大。QIN等]制备研究了一种Na2SO4/硅藻土的复合相变材料，并对其热物性属性及热稳定性进行了实验研究。其结果表明当硅藻土的含量为45%时，复合材料有着最佳的储能密度和机械强度。JIANG等制备研究了一种LiNO3-NaNO3-KNO3-Ca(NO3)2/硅酸钙的复合材料。GE等制备研究了一种基于MgO陶瓷基体的复合相变材料，其中碳酸共晶盐（LiNaCO3）用于相变材料，石墨用于导热增强材料。其实验结果表明，该MgO基复合相变材料表现出很好的物理和化学兼容性；当导热增强材料的质量含量为10%时，复合材料的整体热导率可达4.3 W/(m·K)，储热密度可达530 kJ/kg。

上述文献报道研究了这种无机盐/陶瓷基/导热增强剂复合相变材料的制备方法及其内部不同材料间独特的微观结合方式，揭示了这种独特的结合方式不仅能大幅度的提高复合相变材料的有效热导率，而且能保持复合相变材料在冷热循环过程中的稳定结构。指出了理解不同颗粒间的微观结合和配比关系及物理和化学兼容性是烧结制备复合相变材料和维持其热稳定性的关键。但是对基于这种复合相变材料的储能单元和储热系统的储放热特性，并没有深入的研究。特别是这类复合相变材料模块的储放热及传热特性，文献报道则更少。李传等[16]对基于复合储能材料储能单元的储能性能进行了研究。其建立复合相变材料和储能单元体内部的二维数值计算模型，考察了复合相变材料热物性和模块结构尺寸及传热流体介质操作条件对单元体储能性能的影响，并搭建平台进行了实验对比研究。为此，本文基于碳酸锂钠共晶盐/氧化镁复合相变材料，对其模块的储放热特性进行实验研究，分析了复合材料中导热增强材料质量比率和热源热流密度对模块储放热性能的影响，并与单纯的相变材料进行了对比。

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成果简介

对以碳酸锂钠共晶盐为相变材料，氧化镁颗粒为陶瓷基体和石墨为导热增强剂的复合相变材料模块储放热性能进行实验研究，并与纯相变材料进行了对比。结果表明，对于储热过程，添加有导热增强剂的复合材料模块储热性能明显高于纯相变材料，且其储热性能随着导热增强剂含量的增加而提高。当石墨质量含量从5%提高到30%时，材料模块整体的储热时间缩短29%。对于放热过程，实验考察了两种放热条件—自然对流和强制对流。结果表明，强制对流条件下材料模块的放热性能要优于自然对流条件下的放热性能。对比纯相变材料，复合材料模块的整体放热速率提高了近33%。

目录及图文导读

1  实验过程与方法

1.1  实验原材料和复合材料模块的制备

图1  实验测试平台

1.2  实验平台和流程

图2  实验测试材料模块和温度测点分布图：（a）和（b）复合相变材料模块和测点分布；（c）和（d）单纯相变材料和测点分布

1.3  误差分析

文对实验测量误差进行了分析，其主要包括如下几个方面：加热单元测量误差、数据采集系统误差、热电偶测量误差和系统热损失。实验中所用K型热电偶的测量误差（∆Tc）为±0.1 ℃。数据采集系统（cDAQ-9172）的测量误差（∆T DAQ）为   ±0.5 ℃。加热单元测量误差为±0.5%。根据材料模块表面的温度与环境温度的最大温差，可知实验热损失（qloss）为5 W。所以整个测量平台的测量误差可以根据式(1)求得，依公式算得实验测量误差为6.7%。

2  实验结果分析与讨论

2.1   IR测试结果

图3  复合材料模块（NaLiCO3/MgO/石墨的比例为1/1/0.1）上表面温度分布（IR观察结果）

2.2  储热过程（熔化过程）

图4  复合相变材料（NaLiCO3/MgO/石墨的比例为1/1/0.1）内部测点温度随时间变化

 图5  纯相变材料（NaLiCO3）内部测点温度随时间变化

图6   复合相变材料内部测点和测点2的温度差值对比

图7  复合相变材料和纯相变材料内部测点与加热面测点   温度差值对比

图8  石墨含量对复合相变材料内部温度分布的影响（NaLiCO3/MgO的比例为1/1）

图9  加热板热流量对复合材料内部温度分布的影响（NaLiCO3/MgO/石墨的比例为1/1/0.1）

2.3  放热过程（凝固过程）

图10  复合材料模块（NaLiCO3/MgO/石墨的比例为1/1/0.1）和纯相变材料放热性能对比

3  结    论

（1）复合材料模块中不同颗粒传热性能存在差异，热导增强剂（石墨片）热导率比较高，而陶瓷基体（MgO）的热导率较低，热量在材料模块内部传递时，会优先传递给导热性能好的石墨材料；同时由于这些颗粒（PCM/MgO/石墨）在混合制备过程中的局部不完全均匀性，会造成材料模块内部温度分布的不均匀性。材料模块内部最大温度差可达25 ℃。

（2）由于材料模块中添加有导热增强剂，其内部热传导速率会得到提高。添加有质量分数为5%石墨的复合材料模块完全储热时间较纯相变材料缩短700 s。石墨含量和加热单元热密度对材料模块储放热性能有较大影响。当石墨质量含量从5%提高到30%时，材料模块整体的储热时间缩短29%。

（3）对于放热过程，实验考察了自然对流和强制对流两种放热条件。结果表明，强制对流条件下材料模块的放热性能要好于自然对流条件下的放热性能。对比纯相变材料，复合材料模块的整体放热速率提高了近33%。

标签：碳酸锂,储放,共晶,材料,复合,相变,放热,模块,储热
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