中温共晶盐在多孔材料中的相变换热及蓄热特性的基础研究

由于城市污泥量剧增，污泥干燥处理越来越受到社会的重视。采用太阳能、污泥自产沼气等绿色能源解决污泥干燥巨大能耗问题的同时，也必须采用蓄热装置解决其不稳定性、间断性问题。相变材料潜热大，单位质量蓄热能力高，使之成为污泥干燥蓄热材料的不二之选。本项目在申请人原有研究工作基础上，继续深入研究中温共晶盐的成分配比，以期得到长期稳定、热物性优异的相变蓄热材料。同时通过向蓄热装置中填充高导热多孔材料，以期弥补相变材料导热系数低的普遍缺陷。另外，将实验测试与数值模拟相结合，研究多孔材料中相变传热的流动换热机理，探讨多孔材料结构，例如百分比、空隙率、孔径等以及换热边界条件、相变材料热物性等对蓄热装置传热与蓄热性能的影响，进而提出更加高效的蓄热装置。

课题负责人及其所在课题组根据原定的科学问题研究思路，围绕相变蓄热开展了相关基础理论与实验研究。在基金项目经费支持下，通过设备采购，自制等建立起相变材料制备、复合相变材料制备、热物性分析以及应用测试平台。同时搭建了小型计算平台，能够对复合相变材料进行理论计算分析。目前，课题组在已搭建的相变蓄热系统基础上，继续搭建包含太阳能、风能等绿色能源利用的相变蓄热测试平台，进一步拓展相变蓄热使用范围。.目前，本项目在硝酸盐配比新型中温相变材料、复合相变材料制备方法、多孔介质尤其是膨胀石墨粉对相变材料的的强化换热机理，以及相变蓄热在环境保护中的的应用等等取得了较好的研究成果，并且更加深入的研究在继续进行中。目前取得的研究成果总结如下：.1.制备得到各种硝酸盐共晶盐，其共晶盐熔点能够稳定低于110度，相变潜热值大。随后在添加了适量稀有金属硝酸盐后，硝酸共晶盐的热稳定性得到了明显的提高，通过1000次相变循环测试实验后，其物性变化很小。.2.得到制备膨胀石墨粉的优化工艺参数，以及非饱和溶液硝酸盐共晶盐溶液与膨胀石墨粉混合制备得到硝酸共晶盐/膨胀石墨复合相变材料的优化工艺。.3.将硝酸共晶盐与膨胀石墨粉制备得到的复合相变材料加热挤压成型，测试得到了复合相变材料导热系数与膨胀石墨粉含量的关系。.4.对填充简单结构的金属矩阵材料的相变蓄热结构进行数值模拟，比较多孔结构参数对传热的影响，结果表明高导热多孔材料尽管可以有效提高相变材料的传热性能，但是对相变材料的自然对流有抑制作用。.5.采用电镜分析，总结分析膨胀石墨粉在复合相变材料中的含量与当量导热系数的关系，建立了相应的计算导热系数的多尺度数值模型，计算结果与实验值吻合度较高。.6.对采用不同结构、不同传热流体以及采用复合相变材料的相变蓄热单元进行了数值模拟，结果分析得到复合相变材料能够大幅减少蓄热和放热时间，有效提高相变蓄热单元的换热性能。.7.建立了污泥干化的简化数值模型，得到了污泥干化的优化工艺方法，在此基础上，将相变蓄热装置应用在太阳能、热泵污泥干化系统中，对其经济性进行了分析，结果显示，相变蓄热装置能够有效降低污泥干化运行成本，提高污泥干化效率。.目前在上述研究成果的基础上，正在对复合相变材料的相变过程进行研究，已经获得石墨粉颗粒对相变过程影响的传热特性，研究论文正在撰写当中。