基于煤炭固废物新型高温定形相变储热材料制备及其填充床储能行为的研究

Ceramics based form stable phase change materials (FSPCM) are advanced thermal energy storage material of latent thermal energy storage technology. FSPCM with good features of high temperature stability, excellent performance of plastics, no need packaging and great vibration resistance, can be applied in high temperature waste heat recovery and solar thermal power generation. But these materials suffer from low heat conductivity, high fabricating cost and bad tolerance of sharp temperature difference, leading to impossible of large scale production and application. To solve the problem, cheap material, simple process and efficient thermal energy storage device should be developed. This project employs coal ash and gangue, which is a large amount of solid waste produced from a power plant, as the basic component to produce high temperature FSPCM and surface modification ceramic coat. The formula will be designed and process will be improved to develop low cost new FSPCM. To test the practical working condition of FSPCM, an experimental system using high temperature air as charging fluid will be set up. Both simulation and experiment will be carried out to compare and evaluate the performance of the packed beds type thermal storage device. In a word, this project will develop advanced FSPCM and lay the foundation of large scale application of the latent thermal energy storage materials.

陶瓷基高温定形复合相变蓄热材料（FSPCM）具有耐高温、形状可塑、相变介质无需封装、抗震性能好等优点，在高温余热回收、提高太阳能发电效率方面优势明显。但该类材料导热率较低而制备成本较高、对换热介质及大幅度温度变化的耐受力有限而难以大规模生产和应用，利用易得廉价的原料、采用简易的制备及表面改性工艺、选择结构简单且传热面积大的蓄热器等方法是解决问题的有效途径。本项目采用具有陶瓷粉料性质的煤炭大宗固体废弃物—粉煤灰和煤矸石为制备高温FSPCM及表面改性陶瓷涂层的基本成分，通过配方设计与工艺优化制备低成本新型高温FSPCM。以高温空气为换热介质，采用填充式储能床对材料的实际储能行为进行模拟及实验研究，探究高温FSPCM填充式储能床性能评价机制，为促进材料的实际应用奠定基础。

陶瓷基高温定形复合相变蓄热材料（高温FSPCM）具有耐高温、形状可塑、相变介质无需封装等优点，在高温余热回收、太阳能热能发电等方面应用潜力巨大。根据项目任务，采用混合烧结法制备金属（铝或硅铝共晶合金）/粉煤灰基高温FSPCM以及釉质表面涂层，借助机理研究优化制备工艺；通过模拟与实验研究高温FSPCM填充式蓄热器的性能。取得以下重要结果：.开创性揭示了粉煤灰特性及金属相变介质对高温FSPCM性能影响的关键机制，发现粉煤灰中CaO含量、相变介质粒径所产生的作用尤为重要，该结果对优化制备工艺、提升材料综合性能具有重要支撑作用。设计且研究了球形高温FSPCM（蓄热球）的干法成型工艺，明确并发展了与硬化层现象及尺寸效应相关联的理论，获得了直径分别为10mm、15mm、20mm，相变潜热100-120J/g,抗热震性能良好的蓄热球，为填充式高温相变蓄热器的研究提供了物质支持。研究了蓄热球表面釉质防水涂层的制备工艺及其机理，为拓展该类材料的应用范围奠定了基础。研制高温复合相变材料热性能实验装置，评估并验证了装置的可靠性，以此研究了不同特性单个蓄热球的蓄放热性能，对后期的蓄热器研究具有现实意义。以焓法模型为基础建立蓄热器传热模型，对蓄热球填充式高温相变蓄热器进行数值模拟，展现了传热及蓄热的基本规律，依据该规律并结合西安交通大学“高温空气流动实验台”的匹配要求，设计、制造了实验用填充式高温（600∽800℃）蓄热器。通过实验研究揭示影响蓄热器蓄热速率及蓄热效率的关键因素，分析了蓄热器数值模拟对于定性指导实验研究的可靠性以及改进思路，为该类蓄热器的放大实验及实际应用提供了科学依据。本项目从高温FSPCM制备、蓄热球个体热性能实验装置研制，扩展到填充式高温蓄热器的模拟、设计制造及蓄热实验，各环节相互依存形成系列化研究特色，展现出金属/粉煤灰基高温FSPCM的良好应用前景。