高导热多孔陶瓷基相变材料的界面微观相变过程非稳态传热及高密度储能机理研究

Production of every ton of steel could waste one third energy. Reuse of iron and steel industrial waste heat only counts for 30% - 50%. In order to recycle waste heat from hot-rolled billet, this work aims to produce structure controlled and high conductive PCM with high energy storage density; understands their microcosmic heat transfer behavior by high temperature confocal laser microscopy; studies the controlled ceramic production mechanism; knows the optimum relationship among porous structure, PCM loading and conductivity of ceramic based PCM; and explores the enhanced heat transfer mechanism in energy storage system. This work could convert discrete heat to continuous one, increase present capacity of storage material and recycle discrete heat. By using waste heat depend on their specific temperature, recycled waste heat could be with good heat quality and recycle efficiency. This work could contribute to highly and continuously recycle of discrete waste heat in process industry.

钢铁工业余热总量占吨钢总能耗1/3，余热利用率仅有30％-50%。针对目前未回收的间歇、移动、变温热轧钢坯高品质余热，本项目以开发结构可控、高导热和高密度复合定型相变储热材料为目标，利用高温共聚焦激光显微镜等手段研究相变过程中固-液界面的微观瞬态传热特征与动态移动规律，揭示其微观传热动态特性；研究兼容高导热性和高密度储热的多孔陶瓷结构和材质，探索高导热多孔陶瓷骨架结构的可控制备机理；研究可控多孔陶瓷孔结构、相变材料负载量与复合储热材料导热性的耦合关系，明确其微观结构与宏观性能的关系，优化复合储热材料的综合储/放热性能；利用数值模拟与试验相结合的手段，揭示复合储热材料在储热系统中的强化传热机理。该研究可将非连续热源转化为连续热源，有助于提高现有储热材料性能和非连续难回收余热的利用。通过余热梯级利用，确保储存过程中的余热品位和回收效率，为过程工业非稳态余热资源的高效回收和连续利用提供理论基础。

本项目以钢铁工业中具有间歇、移动、变温特点的热轧钢坯高品质余热回收为背景，开发了一种结构可控、高导热和高储热密度的复合定型相变材料。通过本项目的研究，可获得以下重要结果：.1）明确了一种结构可控多孔陶瓷的制备方法：0-50 wt.% CaCO3可有效调节硅藻土基多孔陶瓷的孔结构: 显气孔率61.61-67.53%、平均孔径0.73-26.6 m；.2）剖析了复合相变材料的高密度储热特性：经CaCO3修饰的硅藻土基陶瓷具有适当的孔径，可负载NaNO3相变材料而不使其发生泄露和促进熔融NaNO3的微流动特性以提高复合相变材料的热循环稳定性（500次以上）；具有更高的显气孔率，以增强载体负载NaNO3的能力（58.67 wt.%），进而提高复合相变材料的储热密度（297.13 J/g，200-330℃）和储热效率（58.71%）；.3）揭示了多孔陶瓷骨架对相变材料的强化传热机理：高温修饰的硅藻土基陶瓷骨架为NaNO3相变材料提供了一个致密、连续和低热阻的传热通道，进而显著提高了NaNO3的热导率（约2倍）；CaCO3修饰骨架避免了其在热循环中的开裂，为NaNO3提供了一个稳定的传热通道；SiC进一步修饰骨架引入了导热增强相（莫桑石相）并确保其与NaNO3具有较低的接触热阻，从而有效地提高了复合相变材料的热导率，高达2.06 W/(m·K)。.本项目的开展为工业非稳态中高温余热的回收利用奠定了理论基础，具有重要的科学价值。