组分调制对储热材料性能的影响研究
伴随着经济的快速发展,人类对能源的需求越来越大,加快开发和利用新型能源的步伐、提高已开发和投入使用的能源的利用效率,已成为当代研究的重要课题。在我国,建筑能耗是所有能耗类型中最大的一项,而采暖能耗在建筑能耗中占据极大的比例。
因此,合理利用建筑储热材料、提高储热材料的性能,是降低建筑能耗、实现节能减排的重要方式。熔盐是一种易得且高效的传热储热材料,目前已在商业化太阳能热发电等方面广泛应用。
同时,以相变材料为核心的潜热储存也是建筑储热的重要形式,有十分广阔的应用前景。本文研究对象有两种:一是太阳能热发电中应用的熔盐;二是建筑常用的储能材料石蜡。
通过组分添加和改变配比的方法,研究对其储热性能参数的影响。采用的研究方法包括数值模拟辅助预测,以及最后的实验验证。
最终,得出了每一类研究对象的参数变化规律和最佳组合,以及可用于指导后续实验研究的数值预测方法。本文首先利用MATLAB软件通过编制程序对所配9种比例的Mg（NO3）2-NaNO3二元混合硝酸盐的熔点进行预测,预测结果显示,只有Mg（NO3）
2:NaNO3质量比为5:5时固液两相点重合,推测该比例为共晶熔盐,最适合应用于实际运行系统,模拟结果显示该共晶温度约为340℃。
后通过将不同比例的Mg（NO3）2添加到NaNO3中,配制了9种不同质量比的二元混合硝酸盐;采用差示扫描量热法、热重分析法分别对混合硝酸盐的初始熔化温度、初晶点、分解温度、比
热和熔化潜热等进行了实验研究,以研究该组分熔盐与已大规模投入运行的熔融盐相比较,是否更适合应用于太阳能热发电系统中。实验结果表明,9种配比的混合熔盐中,有3种配比没有实现共熔,比例分别为Mg（NO3）2与NaNO3质量比为1:9、2:8、3:7。
同时,只有等质量比的混合熔盐熔点和初晶点温度最为接近,熔点为357.8℃,初始结晶温度为368.5℃;分解温度为440.0℃。其余可共熔的二元混合硝酸盐的熔点温度基本维持在340℃,初晶点温度基本维持在240℃,分解温度基本维持在430500℃的范围内。
将实验结果和模拟结果进行对比,就固相而言,每对理论与实验的数值大小略有差距,但差距不大:就液相而言,除等质量比的配比之外,其余5种比例的实验值与模拟值走势一致,温度比模拟值高5K10K,在误差允许的范围内,精度较高。对于等质量比的配比,模拟结果显示该比例为共晶比例,熔盐可以实现共晶,而实验结果显示该比例固相点与液相点并未相交,没有形成共晶,且较其他比例而言,固相温度与液相温度有升高的趋势。
对于熔化潜热,随着Mg（NO3）2浓度的降低,熔化潜热逐渐升高,变化较大,添加Mg（NO3）2浓度为50wt.%时,最大熔化潜热为154.2 J/g。实验结果测得,等质量比熔盐的平均比热值为1.034 J/（g·K）。
在此基础上,应用最小二乘法拟合出可共晶熔盐的比热曲线。利用Origin软件,对等质量比二元混合硝酸盐的比热曲线公式进行拟合。
结果显示,对于各体系熔点模拟值与实验值吻合度较好;熔盐的比热拟合度较高。模拟结果从理论上对实验进行了指导与验证,大大减少了实验工作量,同时
为其它新型传热储热材料热物性的理论预测提供参考。
为了研究组分调制对建筑相变储能材料性能的影响,本文配制了16种复合相变材料,并采用差式扫描量热法和激光导热法,通过实验对纯石蜡样品和不同配比的导热性能、比热、熔化潜热等进行对比。实验表明,所研究复合材料的相变潜热约等于纯石蜡的相变潜热与所添加物质量分数的乘积;复合材料在150℃以下的熔融曲线与纯石蜡的熔融曲线十分相似,5种优选比例的比热值较纯石蜡样品均有所提高,各比例的比热均随温度的增加而增加。
实验测得:与纯石蜡样品相比,此次试验所测的复合相变材料的导热系数均有所提高,尤其是三元复合相变材料的导热系数提高较为明显。