多孔基纳米复合熔融盐的热质增强及其在太阳能蓄热中应用研究

发布时间：2023-10-05 10:42:42 所属栏目：动态来源：

导读：太阳光热发电站的蓄热系统中需要的关键物质为熔融盐，但由于其传热效率低和相对于较高温度的比热容等问题，导致其在蓄热领域中受到了一定程度的限制，故添加膨胀石墨[1]、泡沫金属[2]、纳米颗粒或石墨烯[3]等具有良好

太阳光热发电站的蓄热系统中需要的关键物质为熔融盐，但由于其传热效率低和相对于较高温度的比热容等问题，导致其在蓄热领域中受到了一定程度的限制，故添加膨胀石墨[1]、泡沫金属[2]、纳米颗粒或石墨烯[3]等具有良好导热性材料，成为提高熔融盐蓄热性能的有效方式。

目前对纯熔融盐的熔化特性研究不充分，以多孔介质为基材和相变材料为母体的复合相变材料在储/放能过程中的相关流动与传热过程的研究尚不深入，纳米材料强化熔融盐的特性与机理尚未阐明，多孔基材和纳米颗粒添加入在系统层面缺乏一些实验验证。本文重点介绍肖鑫副教授等在多孔基纳米熔融盐热物性及储/放能特性方面的研究进展。

本研究首先兼顾纳米颗粒和泡沫金属的优点，制备100~250℃温区对应的以熔融盐为母体的熔融盐/泡沫金属/石墨烯复合相变储能材料，其吸热系数可增加360%。并且多次循环之后，仍能维持其相变特征，即合适的相变点和相变潜热。

分子动力学模拟方法作为一种应用广泛的计算机模拟手段，可以对新材料的研制起到预测和指导作用，同时可以微观角度探索物质性能，揭示相应的微观机理。本研究建立了太阳盐纳米流体模型，并探究加入不同质量分数纳米颗粒对熔融盐热物性的影响。发现使用分子动力学模拟计算物质的粘度、比热容、均方位移等特性时，不会因为模型的大小不同而产生尺寸效应；但是用非平衡态法计算热导率时，会受到尺寸效应的影响，应该使用大小一致的模型。熔融盐纳米流体的粘度随着纳米颗粒的添加而不断增大，通过对体系的径向分布函数计算，可以推测粘度的增大是由于纳米颗粒的加入使得基液中阴阳离子之间相互作用增大，从而限制了基液的扩散运动。

得到熔融盐以及其在一般多孔介质中的相变迁移特性对于科学指导超临界熔融盐蓄能有十分重要意义。采用VOF和焓-多孔介质模型耦合求解，数值研究了熔融盐熔化过程融盐/空气界面的上升和固/液界面的变化。发现由体积膨胀引起的熔融盐/空气界面在熔化过程中逐渐上升，而由体积收缩引起的熔融盐/空气界面在凝固过程中逐渐下降。受到自然对流和密度差影响，固态熔融盐会出现明显的下沉现象，这为蓄能系统封装过程提供了重要的理论指导。

自然对流在熔盐融化过程中占据主导，可分为出现、发展、消退三个阶段；熔盐熔化过程中的温差和固/液界面的位置也影响了自然对流的发展，熔化后期自然对流显著地削弱。与没有泡沫金属的纯熔融盐相比，泡沫金属的加入可以有效地提高熔融盐的熔融速率，但对自然对流有抑制作用。

接着，以该共熔融盐、熔融盐/泡沫铜复合物和熔融盐/泡沫镍复合物作为蓄存介质，在圆柱形潜热蓄热单元内完成了其储/放能实验。构建了一个包括焓-多孔介质项、非达西效应项、考虑熔融盐和泡沫金属间热非平衡的双温度能量方程的三维模型来进一步数值研究该蓄热单元的传热特性。通过圆柱绕流的方式构建了熔融盐相变材料和泡沫金属的双温度能量方程，发现由于泡沫金属的流动阻力，对于熔融盐/泡沫金属复合物，熔化过程自然对流有所削弱。但由于热导率显著增强，由导热主导的放能过程显著加快。此外，发现了熔融盐和泡沫金属间的热非平衡特性，由于金属骨架高的热导率，熔融盐和泡沫金属间存在很明显的温差，比如：储能过程中熔盐和铜骨架的最大温差为6.8°C，而熔盐和镍骨架的最大温差为4.4°C。这提出了在构建多孔蓄热介质中的传热模型时需考虑热非平衡现象。

最后，实验研究了梯级蓄热装置的特性，制备并填充了相变温度分别为120℃(Ca(NO3)2-KNO3-NaNO3),142℃(NaNO2-KNO3-NaNO3),155℃(Ca(NO3)2-KNO3-NaNO3)的3种共熔盐，在加热温度分别为180℃、200℃和220℃下，研究了填充任意两种熔融盐的梯级蓄热特性。结合ε-NTU分析方法，并与单一HITEC盐（142℃）的蓄热特性比较。发现梯级蓄热的方式可将总蓄热时长缩短10%左右，潜热蓄热时长提升13%；梯级蓄热的方式也可以将蓄热系统的有效度由0.06提升至0.14。当换热流体为200℃时，120~155℃组合的梯级储热装置具有最佳的性能。这些结果表明，通过改变催化剂活性组分的种类和数量，可以调节反应条件，从而控制聚合物的分子量。

（编辑：聊城站长网）

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