关键词：相变材料;;碳纳米管;;膨胀珍珠岩;;有限元;;分形空腔;;相变储能
摘 要：相变材料(phase change material,PCM)是一种新型节能材料,具备储能密度高、化学性质稳定、相变温度选择范围宽、控制方便等优点,将其应用于建筑材料中理论上可有效降低建筑能耗。然而,PCM所存在的导热系数低、液相易泄漏等问题使其在建筑节能领域的实际应用中无法达到预期效果。为了解决上述问题,本文结合国内外研究现状开展如下工作:选取石蜡为PCM,利用碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)对石蜡进行改性以提高其导热性能;利用膨胀珍珠岩(expanded perlite,EP)与石蜡复合实现定形改性,并结合白乳胶进行成膜封装以缓解PCM的泄漏问题;通过实验的方式研究经改性、封装处理后的定形PCM填充于建筑试块的传热特性,与此同时,采用有限元方法建立与实验相对应的相变储能建筑试块在给定温度边界条件下的传热模型并进行仿真模拟;基于所建传热模型对建筑试块空腔结构进行优化设计并仿真模拟,从而提出可进一步提高填充PCM的建筑试块相变储能效率的空腔结构类型,最终得到如下结论:(1)通过对不同质量分数CNTs/石蜡复合材料及纯石蜡进行差示扫描量热法测试(differential scanning calorimetry,DSC)、导热性能测试以及吸放热速率测试实验,结果表明:CNTs/石蜡复合材料相比纯石蜡导热系数提高,相变温度降低,且CNTs质量分数越大,则CNTs/石蜡复合材料的导热系数越高,相变点温度越低,但是对相变潜热的影响较小。(2)EP与石蜡复合成定形PCM时两者的最佳混合比例约为1:4,并利用白乳胶对其进行成膜封装,可有效缓解PCM由固态向液态转变时出现的泄漏现象,最终得到的试样为EP/石蜡复合材料及CNTs/EP/石蜡复合材料。(3)将定形PCM试样填充于建筑试块空腔内并为建筑试块下表面进行恒温加热。实验表明,在传热过程中,当建筑试块空腔内定形PCM达到相变温度时,会吸收大量热量并以潜热形式储存起来,从而有效控制建筑试块内部的温度上升,进而降低试块上表面温升速率。空腔内填充CNTs/EP/石蜡复合材料的建筑试块与填充EP/石蜡复合材料相比,前者相变储能过程所需时间明显较短,且建筑试块上表面的温升速率较低。(4)在恒壁温边界条件下,定形PCM填充于分形空腔的建筑试块与填充于相同面积的单一空腔相比,两者传热特性存在显著差异,前者能通过定形PCM更有效控制试块的温度上升,即分形空腔建筑试块内定形PCM的储能效率更高。当建筑试块为分形空腔结构且保证面积相同的条件下,空腔结构的分布规律差异会对建筑试块及其空腔内定形PCM的传热特性造成较大影响,随着建筑试块比表面积增加以及空腔所在位置离热边界的距离减小,空腔内定形PCM相变储能效率提高且能更有效得控制试块温度上升。本文首先从CNTs/石蜡复合材料的制备、热物性参数测试、吸放热速率测试等方面开展对石蜡导热方面的改性研究。其次,以EP为载体制成EP/石蜡及CNTs/EP/石蜡复合材料,并进行成膜封装,实现对石蜡的定形改性,以缓解液态石蜡泄漏现象。再次,将EP/石蜡及CNTs/EP/石蜡复合材料应用于建筑试块空腔内,展开实验及仿真模拟研究,获得了建筑试块内温度分布、PCM的相转变规律,从而揭示了 PCM应用于建筑试块时的被动调温机理。最后,采用分形空腔的形式对建筑试块空腔结构进行设计,对填充改性PCM的建筑试块相变储能特性实现进一步优化。相关研究成果可为制备高性能建筑材料、预测建筑节能性和指导建筑节能设计提供理论、技术支持。
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