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太阳能热发电中铝基合金高温相变储热材料及储热系统研究.pdf

太阳能热发电中铝基合金高温相变储热材料及储热系统研究

zhengtt
2013-04-07 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《太阳能热发电中铝基合金高温相变储热材料及储热系统研究pdf》,可适用于经济金融领域

武汉理工大学硕士学位论文太阳能热发电中铝基合金高温相变储热材料及储热系统研究姓名:何黎明申请学位级别:硕士专业:材料学指导教师:程晓敏摘要能源是人类赖以生存和发展的基础随着全球工业的迅猛发展全球化石燃料不断减少迫切要求各国开发利用新能源。太阳能是巨大的能源宝库具有清洁无污染、取用方便等特点但是太阳辐射具有显著的稀薄性、间断性和不稳定性而蓄热技术是满足生产和生活中连续利用太阳能的最好方法之一。在多种储热技术中固.液相变储热因具有储热密度大、储热过程近似恒温、体积变化小、过程易控制等优点而得到各国科学家的广泛重视。本文研究对象是铝合金高温相变储热材料及其储热系统。该相变储热材料具有高的相变潜热、大的储热密度、性能稳定、导热系数大等优点具有很大的开发潜力。本文通过设计不同成分铝合金相变储热材料并进行相关热物理性能实验分析了储热材料高储热密度的机理选取了一种高效的太阳能高温储热材料。铝合金高温储热系统的合理设计可以提高储热室内的热交换能力延长储热系统使用寿命增强系统运行稳定性也是整个储热系统成功、高效运行的关键因素。本文选择多种保温性能良好的保温材料通过传热计算优化设计了储热室保温材料组合。高温铝合金对普通不锈钢、碳钢均具有较强的腐蚀能力本文通过分析新型陶瓷材料的高温性能以及高温铝合金对不锈钢的腐蚀机理研究了新型陶瓷材料、耐热钢以及镍基高温合金作为储热管道材料的可行性。本文还针对以铝合金作为高温储热材料、空气作为传热介质的储热室进行了结构设计包括折流挡板的使用、管道排列、储热室内换热过程的强化以及进、出气口布置等计算了两种不同结构储热室的平均对流传热系数并借助计算机三维绘图软件UGNX绘制了不同储热室结构的三维模型。研究结果表明:铝硅合金密度高、潜热大在太阳能高温储热方面具有很大的前景设计出的储热室及管道材料能很好的满足课题需要同时热交换充分储热效率高为下一步对储热室的模拟及实际建立打下了基础该储热系统具有很大的开发潜力。关键词:太阳能热发电铝合金储热系统相变储热AbstractEnergyisthebasisofhumanexistenceanddevelopment.withtherapiddevelopmentofglobalindustry,fossilfuelisdwindlingwhichurgentlyrequiresthedevelopmentandutilizationofnewenergy.Solarenergyisagreattreasure.houseakindofcleanenergyandconvenientaccess.Butsolarradiationhassignificantdisadvantagessuchasrarefactionintermittenceandinstability.Thermalstoragetechnologyisoneofthebestwaystomeettheproductionanduseofsolarenergyforlife.Amongthestoragetechnologiessolidliquidphasechangegainswideattentionofscientistsbecauseofgreatthermalstoragedensity,almostconstanttemperaturesmallchangeinthesizeduringtheprocessofstorageandeasytocontroltheprocess.Aluminumalloyphasechangematerialsathightemperatureandthermalstoragesystemarestudiedinthisarticle.Thephasechangethermalstoragematerialshavebigadvantagessuchashighlatentheatofphasechangelargethermalstoragedensity,propertiesstabilityandgreatthermalconductivity,whichhasgreatpotentialfordevelopment.Themechanismofhighthermalstoragedensityofaluminumalloyisstudiedinthearticlethroughthedesignofdifferentcomponentsofaluminumalloyandthermalphysicalexperiment.Aefficientsolarthermalstoragematerialisselected.TheproperdesignofthermalstoragesystemCanincreasethestoragecapacityofthermalstoragedeviceextendtheservicelifeofenergystoragesystemandenhancethestabilityofthesystem.Sothedesignisoneofkeyfactorsforsuccessfulandefficientoperationofwholethermalstoragesystem.Severalthermalinsulationmaterialswithgoodinsulationpropertieshavebeenchosenandcalculatedinheattransfertooptimizethedesignofinsulationmaterialcombinations.HightemperaturealuminumalloyCancorrodeordinarystainlesssteelandcarbonsteel.Inthispaper,Newtypeofceramicmaterialheatresistantsteelandnickel.basedhigh.temperaturealloyarestudiedasheatpipematerialtostoragealuminumalloybyanalyzingthehightemperatureperformanceofceramicmaterialandcorrosionmechanismofaluminumalloytostainlesssteel.Thesystemusesaluminumalloyasthermalstoragematerialtheairasaheatmedium.ThissystemhasseldombeenstudiedSOinthispaperthecorrespondingstructurearedesignedincludingtheuseofbafflepipelinearrangementheatexchangeimprovementaswellasthelayoutofinletandvent.TheIIaverageheattransfercoefficientofdifferentthermalstoragedevicesiscalculatedandcompared.ThethreedimensionalmodelsofdifferentstructurethermalstoragedevicesarealsomappedbythreedimensionalcomputergraphicssoftwareUGNX.TheresultsshowthatAISialloyhasgreatprospectsinsolarenergythermalstoragyathightemperaturebeceaueofitshighdensityandgreatlatentheat.Thethermalstoragedevicesandpipematerialschosencanmeettheneedsofthesubjectwithfullheatexchangeandhighheatefficiency.Theseworkslayafoundationforfollowingsimulationandpracticalestablishmentofthermalstoragedevice.Thisthermalstoragesystemhasgreatpotentialfordevelopment.Keywords:solarthermalpowergenerationaluminumalloythermalenergystoragesystemphasechangethermalstorageIII独创性声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定即学校有权保留、送交论文的复印件允许论文被查阅和借阅学校可以公布论文的全部或部分内容可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名:撒导师签名:翅月期:趔::l鱼武汉理工大学硕士学位论文.本课题的背景及意义..我国能源问题现状第章绪论能源与人类社会的生存与发展休戚相关持续发展是全体人类共同的愿望与奋斗目标。为了实现可持续发展必须保护人类赖以生存的自然环境与自然资源这是人类进入世纪面临的严重挑战。新能源及新能源材料是这两大技术的重要组成部分对我国发展尤为重型|。在我国随着国民经济的调整和进一步发展能源问题愈来愈严重己经成为制约我国国民经济发展的瓶颈。我国能源问题的现状有:)人均能源资源不足资源质量较差探明程度低。我国常规能源资源的总储量就其绝对量而言是比较丰富的然而我国人口众多就可采储量而言人均能源资源占有量仅相当于世界平均水平的/而且化石能源勘探程度低例如人均煤炭探明可采储量仅为世界人均值的/石油仅为/左右J。有关专家估计若按目前的开采水平我国石油资源和东部煤炭资源将在年耗尽水力资源的开发也将到达极限。按各种燃料的热值计算在目前的探明储量下世界能源资源中固体燃料和液、气体燃料的比例为:而我国则远远落后于这一比值。目前世界能源资源产量中高质量的液、气体能源所占比例为.%而我国仅为.%。)能源消费量的快速增加与环境污染的加剧。据统计从年到年改革开放的二十年间我国能源消费总量大约增加了.倍从万吨标准煤到万吨标准煤。不仅如此由于受自然资源客观条件限制我国的能源生产与消费结构极不合理煤炭一直占我国能源生产和消费总量的%左右过多地使用煤炭使得我国的环境问题雪上加霜。由于能源的高消费而导致的环境问题愈来愈严重环境问题己成为当今社会的热点问题它直接关系到人类社会的生存和发展【'】。)我国的能源生产严重落后于国民经济的增长能源消费弹性系数低。据武汉理工人学硕士学位论文统计自年到年我国的能源消费对GDP的平均弹性系数为O.而年和年更低分别为O.l和.均低于世界平均水平。我国能源生产自建国后经过了多年的努力取得了显著的成绩能源紧张的矛盾得到缓解然而与经济发展的长远需要相比仍存在着较大的差距特别是洁净高效能源缺口仍然很大【引年的大规模拉闸限电、成品油价格大幅度上涨、煤炭供应不足三大能源供应同时出现紧张局面就是证明。)能耗水平高能源利用率低下。据有关部门的调查测算我国能源系统的总效率不及发达国家的/工业产品单耗比工业发达国家高出%一%。如火电标准煤耗我国是国外先进水平的.倍吨水泥煤耗是国外的.倍。目前我国第一产业能耗水平为.t标煤第二产业为.t标煤第三产业为O.lt标煤。产业结构的不合理、能源品质低下、管理落后等是造成能耗水平较高的重要原因而能源资源分布不均交通运力不足也制约了能源工业发展。)太阳能、风能等新能源开发推广不够新能源利用的技术层次低在新能源的推广利用方面与西方发达国家有着非常大的差距。..解决我国能源问题的对策目前为了解决我国所面临的能源问题应当采取以下对策【J:)改善能源结构。为了解决我国一次能源以煤为主的结构减轻能源对环境的压力必须努力改善能源结构措施包括优先发展优质、洁净能源如太阳能、水能和天然气在经济发达而又缺能的地区适当建设核电站进口一部分石油和天然气等。)提高能源利用率厉行节约。对一次能源生产应降低自身能耗开发和推广节能的新工艺、新设备和新材料加强节能技术改造工作调整高能耗工业的产品结构制定并实施鼓励和促进节能的经济政策包括能源价格、节能信贷、税收优惠、节能奖罚等。)加速实施洁净煤技术合理利用石油天然气资源改造石油加工和调整油品结构。)加快电力发展速度。在国民经济中电力必须先行。应根据区域经济的发展规划建立合理的电源结构提高水电和核电的比重。积极开发新能源:我国应积极开发太阳能、地热能、风能、生物质能、海洋能等新能源以补充武汉理工大学硕士学位论文常规能源的不足。)重视能源的环境保护。防止能源对环境的污染是能源利用中长期的任务。..太阳能禾IJ用太阳能是一种可再生的、清洁的、接近无限的新能源。目前人类最主要的利用方式就是太阳能热发电。太阳能热发电系统主要包括集热、热传输、储热与热交换以及发电等四个子系统。每个子系统都涉及到大量的新材料研究开发和应用问题。材料的每一次突破都会带来太阳能热发电效率的提高和成本的下降。聚焦式太阳能热发电系统(CSP)依其集热方式的不同大致分为槽式、塔式、碟式种【’】。槽式系统是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上并将管内传热工质加热直接或间接产生蒸气推动常规汽轮机发电。塔式系统是利用独立跟踪太阳的定日镜将阳光聚焦到一个固定在塔顶部的接收器上以产生很高的温度。碟式系统是由许多镜子组成的抛物面反射镜接收器在抛物面的焦点上接收器内的传热工质被加热到高温驱动发动机进行发电。虽然太阳能是巨大的能源宝库具有清洁无污染、取用方便的特点但太阳辐射具有显著的稀薄性、间断性和不稳定性而储热技术是满足生产和生活中连续利用太阳能的最好办法之一同时也是CSP优于光伏发电一项重要特点。CSP系统中采用储热技术(TES)的目的是为了降低发电成本提高发电的有效性同时它可以实现:)容量缓冲)可调度性和时间平移)提高年利用率)电力输出更平稳)高效满负荷运行等。例如一塔式CSP系统如果无蓄热装置年利用率只有%有则能提高到%且不需要燃料作为后备能源,】。因此TES技术将是CSP成功走向市场化能与传统电力相竞争的一个关键要素。目前太阳能热发电站生产电力的成本还较高但是作为一种清洁的规模发电技术很有潜力。因此一些国家政府在经济上给予了极大的支持例如年德国联邦会议决定为太阳能发电实施一项年投资计划计划资金的三分之二用于槽形抛物面太阳能热发电项目ll¨。年西班牙电力输送法补充条文规定允许太阳能热发电的电力售价在原有的基础上增加美分/kwh。西班牙和美国联合财团计划建造“SOLARTHES”盐塔式太阳能示范电站该电站是在武汉理工大学硕士学位论文至年在美国加利福尼亚建造的“SOLARTWO”盐塔式太阳能示范电站基础上改进的。该电站功率为kw通过能量储存有h全负荷生产能力电站太阳能接受面积比“SOLARTWO”电站大倍。SOLUCAR公司在西班牙南部建造了第一座带开式容量分析式接受器的商用IOMW塔式太阳能热电并且已经投入运营年发电量.GWhtlJ】。..储热材料概述材料蓄热的本质在于它可将一定形式的热量在特定的条件下贮存起来并能在特定的条件下加以释放和利用。因此可以实现能量供应与人们需求一致性的目的并达到节能降耗的作用。这一本质也决定了蓄热材料必须具有可逆性好、贮能密度高、可操作性强的特点。...蓄热方式按蓄热方式划分蓄热材料一般可分为:显热型、潜热型和化学反应型大类。在这大类蓄热材料中潜热型最具有发展前途也是目前应用最多和最重要的蓄热方式Il引。)显热储热材料显热储热材料主要有:土壤、地下蓄水层、砖石、水泥及Li与A、Ti、B、Zr等混合高温烧结成型的显热储热材料【】。它是利用物质本身温度的变化过程来进行热量的储存。由于可采用直接接触式换热或者流体本身就是储热介质因而蓄放热过程相对简单是早期应用较多的储热材料。在所有的储热材料中显热储热技术是最为简单也比较成熟。由于显热储热材料是依靠储热材料本身的温度变化来进行热量贮存的放热过程不能恒温储热密度小造成储热设备的体积庞大储热效率不高而且与周围环境存在温差会造成热量损失热量不能长期储存不适合长时间、大容量储热限制了显热储热材料的进一步发展。)潜热储热材料相对于显热储热材料潜热储热材料的储热密度要高的多能够通过相变在恒温下放出大量的热量同时它们也能储存少量显热但因温度变化小这部分显热与相变潜热相比是较小的。根据相变温度高低相变潜热储热可分为低、高温两种低温潜热储热主要有六水氯化钙、三水醋酸钙、有机醇等主武汉理工大学硕士学位论文要用于废热回收、太阳能储存和空调系统高温潜热储热材料主要有高温熔化盐类、混合盐类、金属及合金等主要用于太阳能热发电、航空航天掣J。潜热储热材料发生的相变过程有种常利用的相变过程有固.液、固.固相变两种类型。固.气、液.气相变虽然可以储存较多热量但因气体占有体积大使体系增大设备复杂所以~般不用于储热。固.液相变储热材料分为四类:单纯盐、碱、金属及其合金以及混合盐。主要用于小功率电站、太阳能发电和低温热机方面对工业化程度不高的偏远地区较为适用。若要大量使用这类材料首当其冲的问题便是腐蚀性热交换器的传热设计。固.固相变潜热小体积变化也小其最大优点是相变后不生成液相对容器的要求不高由于这种独特的优点固.固相变材料越来越受到人们的重视。其中具有技术和经济潜力的目前有三类:高密度聚乙烯、“层状钙钛矿”、多元醇等它们都是通过有序.无序转变而可逆地吸热、放热【J。固.固相变储热材料主要应用在家庭采暖系统中与水合盐相比具有不泄露、收缩膨胀小、热效率高等优点能耐次以上的冷热循环(相当于使用寿命年)把它们注入纺织物可以制成保温性能好重量轻的服装可以用于制作保温时间比普通陶瓷杯长的保温杯含有这种相变材料的沥青地面或水泥路面可以防止道路、桥梁结冰】。)化学反应储热材料化学反应储热多利用金属氢化物和氨化物的可逆化学反应通过热能与化学热的转换储热【】。在受热和受冷时发生可逆反应分别对外吸热或放热这样就可把热能储存起来。典型的化学储热体系有CaOH、MgOH、HSeH等。但需要考虑储存容器与系统的严密性以及生成气体对材料的腐蚀问题。化学反应储热材料具有储热密度高和清洁、无污染等优点但反应过程复杂、技术难度高而且对设备安全性要求高一次性投入大与实际工程应用尚有较大距离。...储热材料的性能要求蓄热材料的一般要求是llJ:)蓄热量大。对显热储热材料要求材料的热容大对潜热储热材料要求相变潜热大对反应热要求反应的热效应大。武汉理工大学硕士学位论文)温度适宜。显热储热材料通常不能满足这一要求。求凝固时无过冷现象熔化时温度变化小。)稳定性好。在多组分时各组分间的结合要牢固及其它变化。)无毒、无腐蚀不易燃易爆。)成本低。对潜热储热材料要不能发生离析、分解)材料的导热系数高。要求材料无论是液态还是固态都有较高的导热率以使热量可以方便地储存和释放。)在冷、热状态下或固、液状态下材料的体积变化小。..热交换装置热交换器的形式、种类很多分类方法根据着眼点不同分为几种。按基本工作原理划分有间壁式混合式(即直接接触式)和回热式(也称储热式)。所谓间壁式热交换器是指冷热流体被壁面隔开进行换热的热交换器。例如火力发电站中的给水加热器、主蒸发器化工企业中的各种冷却器、冷凝器集中供热系统换热站的一次与二次水换热器冰箱及大型制冷机组的蒸发器、冷凝器等都是间壁式换热器。事实上它是用量占据绝对主导地位的换热器型式。电厂冷却塔空冷电站的喷淋式冷凝器用冷水直接喷洒降温的蒸发冷凝器以及吸收式制冷机组的发生器、吸收器等是混合式换热器的应用实例。这类热交换器的一个普通特点是不仅有热量的交换还同时进行着质量的交换。电站锅炉的回转式空气预热器、冶金和建材行业常用的热风炉则是回热式换热器应用的典型【’UJ。间壁式换热器按构造型式分为管壳式(又称列管式)、肋片管式、板翅式、板式和热管式等。管壳式换热器是最传统的一种换热器形式。它的基本结构参见图l。一侧流体在壳中的很多细管内流动称为管侧另一侧流体在管外的壳体内流动称为壳侧。为了使壳侧的流体提高流速增强扰动在全长上一般布置若干道折流装置。这些折流装置既有利于换热同时又能起到固定管束和减震的作用。通过在换热其两端的端盖上做适当分隔管侧流体可以在管内往返几次称为几个管程。同样若在壳内安装纵向隔板壳侧流体也可以在全长上走几个来武汉理工大学硕士学位论文回称为几个壳程。图管壳式换热器基本构造Fig.basicstructureofShelltubeheatexchanger传统管壳式换热器的折流装置是弓型板。但是它有阻力降比较大和存在流动死角的缺点尤其对高粘度的介质。为此开发了异性折流板如双弓形、盘环形折流板以及折流杆式换热器。折流杆式换热器用折流栅代替折流板从根本上改变了壳程流体的流动方式。它的主要优点是壳侧阻力低管束的诱导振动大大减轻在相同流量下换热效果比折流板式高而且它的结垢速率也比折流板式低原因是消除了折流板前后的流动死区。这种型式的换热器在石油工业领域非常适用【¨。管壳式换热器的主要有点是结垢牢固可靠、耐高温高压(可达摄氏几百度甚至上千度和几百个大气压)能够处理流量非常大的流体清洗换热面比较方便。缺点是传热系数不是很高金属材料消耗量大体积也比较庞大。.国内外研究现状..储热材料研究及应用现状早在世纪初就有关于太阳能发电的研究但次世界大战的爆发和中东地区石油的发现使得太阳能的利用发展缓慢。直到上世纪年代的石油危机太阳能热发电工业又被重新激起国外对蓄热材料的研究也开始了。最早是从武汉理工大学硕士学位论文太阳能和风能的利用及废热回收经过不断地发展逐渐扩展到化工、交通、能源、电子等领域。其中在蓄热材料的理论研究工作方面重点对蓄热材料的组成、蓄热容量随热循环变化情况、相变寿命、储存设备等进行了详细的理论研究。年美国Telkes博士对NaS·H的相变寿命就进行了多达次的试验并预测该材料可相变次。德国GawronK和SchroederJ在对..℃的温度范围内PCMs相变性能的研究后推荐:在贮冷中采用NaF.H共晶盐(.oc)在低温贮热或热泵应用中采用KF·H在建筑物采暖系统中采用CaCl"H(。C)或NaHP(。C)。美国RKanramen教授对一种融化温度可调的有机相变蓄热材料贮热系统进行了研究。文献讨论了六水氯化钠的相变热稳定性文献】中详尽讨论了含水钠盐的热稳定性。文献】中介绍了选择相变材料必须以热力学、动力学、化学、经济性准则为依据并依靠这些准则分析比较给出了大量的适合于低、中、高温范围内的相变材料及基本的热物理性能参数。VVTeleshov,E.Ya.KaputkinlA.EGolovlevalandN.EKosmacheval等对含有不同比率的铝合金的熔点以及结构进行了研究合金的熔点均达到了℃以上镁的含量的增加使合金具有了更高的熔点这是由于高温S相的增加所致在合金中加入.%的银和高的Cu/Mg比例(约为)均有助于提高合金的相变温度【Z。。我国是在年代开始着手研究蓄热材料的而且早期主要研究对象是相变蓄热材料中的无机水合盐类在众多的无机水合盐相变蓄热材料中NaS·H是开发研究最早的一种。国内主要的研究工作有:年华中师范大学阮德水等人对典型的无机水合盐NaS·H和NaCHC·H的成核作用进行了系统研究年胡起柱等人用DSC法测定了新制备的NaS·H.NaCI均匀固态物质的初始熔化热及上述样品在士.℃长时间保温后的熔化热:年哈尔滨船舶工程学院周云峰等人研制的蓄热材料是由结晶碳酸钠、结晶硫酸钠、尿素、硫酸钾、水和结晶剂组成它具有良好的蓄热性能原料成本低、无毒、无腐蚀性生产时对环境不造成任何污染产品可以数年循环使用适用于各种温室冬季采暖节约能源同年杭州大学孙鑫泉等人对NaS"H体系的潜热蓄热及其熔冻行为并对熔化热的测定技术及计算公式进行了研究。近年来王剑锋等人(浙江大学)对组合相变材料进行了研究认为采用组合相变材料比单一相变材料的相变速率可以提高%一o%。武汉理工大学硕士学位论文综上可知目前研究得较多的蓄热相变材料有无机结晶水合盐、石蜡及脂肪酸类有机固液相变材料以及多元醇、高密度聚乙烯等固.固相变材料。但是通过已有的研究发现:结晶水合盐具有较大的融解热和体积贮热密度但是具有严重的过冷和析出现象固.固相变材料最大的优点是相转变不生成液态(故不会泄漏)、转变时体积变化小但是在固.固转变温度以上时它们由晶态固体变成塑性晶体(简称塑晶)塑晶有很高的固体蒸气压易挥发损失:石蜡类有机相变材料由于具有较高的相变潜热无过冷及析出现象性能稳定无毒、无腐蚀性价格便宜等优点而备受欢迎但是石蜡的导热系数小且在相变温度以上为流动的液体因此对相变材料的分装要求较严格。近年来将相变材料同耐腐蚀性好的常规材料复合是高温相变材料的研究方向之~。高温相变复合材料可分为陶瓷基、金属基两大类。金属基熔融盐复合材料克服了潜热储热材料在相变时液固两相界面处传热效果差的缺点但材料经多次使用时易发生相变材料与支撑体脱附及渗漏现象而且其蓄热密度与金属相比相对较低。金属及其合金的具有良好储热特性促使国内外许多学者纷纷开始研究金属相变材料美国学者Birchenall、俄罗斯科学家Cherneeva和法国科学家Achardp等均对对铝基合金储热进行了研究研究表明铝基合金是比较理想的合金相变储热材料Birchnalliechman、张仁元等人对金属相变材料研究发现A.SiMg.ZnAI.CuMg.Cu等用作储能材料性能良好。刘靖等对高温相变材料铝硅合金的相变温度和潜热进行了分析测定研究表明相变材料ASil相变温度适中而潜热大可作为太阳能蓄热材料。但是金属相变材料在相变中有液相产生使用时必须有容器盛装容器材料对金属相变材料来说必须是惰性的且容器必须密封以防止泄露影响环境造成对人员的伤害pu’川。高温相变材料的应用主要集中在空间站的太阳能利用、工业余热回收和电力削峰填谷等领域。Strumf和Coombs采用LiF.CaF(Tc=h=kJ/kg)为相变材料的储热系统研究了将该系统用于NASA空间站的太阳能Brayton热机电循环系统的设计和开发工作设计输出功率kW寿命a。J.Yagi和T.Akiyama采用NaCl、NaN、A.Si合金等相变材料用于冶金、化工工业的高温余热回收。日本松下公司将商品化楼板储热系统用于低谷电力加热。美国研究了将CaCl·H微胶囊技术用于混凝土地板蓄热可减少地板表面温度波动。把热水管道置于两块混凝土地板之间提供热量节点处放有直径为mm、装有CaCl·H的装置此种相变材料相变温度为C因此它可以保持武汉理工大学硕士学位论文地板整天具有舒适的温度。微胶囊包封相变材料(MPCMs)可以作为涂层剂、纺丝添加剂应用于纺织品最终加工成具有热调节功能的服装一般用于飞行保暖手套军用冷或热气候作战靴、军用民用潜水服、防火装具、冬服、海军陆战队微气候冷却服装、寝具以及赛车服和头盔中等,。..储热装置研究现状相变储热换热设备与普通换热设备和显热储能设备相比其突出的特点是换热设备中布置流体管道的同时需布置相变材料并且根据相变传热的特征相变材料与流体传热的过程中因相变材料不断发生相变而使相变材料侧的传热热阻逐渐增大当相变材料层完全发生相变后会使系统的有效传热面积逐渐减小从而导致流体侧的温度随之发生变化。因此采用有效的强化传热技术与设计高效的储热换热设备是提高潜热储热效率的关键。相变蓄热设备的结构形式随应用场合的不同而不同。年代时期美国DOW公司制造了采用CaCl·H为蓄热材料的太阳能系统壁橱式蓄热装置:CALMAC公司研制了三种盐水合物相变材料的整体式蓄热装置(HEATBANKRs)年美国研制成功一种利用NaS·H共熔混合物做蓄热芯料的太阳能建筑板年法国宣布在世界上第一次研制出了用于储存能量的小球(TSL系统)也就是把状态可变盐衬装在聚合物制成的小球中小球装在容器里容器的大小可以根据用户需要确定全套装置体积小存储量大为同样体积水的倍主要用于空调或工业冷却年代时期德国Schatz热电技术公司研制成功一种新型汽车潜热蓄热器年以来国际上对汽液固蓄热系统(GALISOL)系统进行了研究该系统已成为德国热电联产企业首选的蓄热系统【】:年清华大学对应用于太阳房的相变蓄热设备进行了实验研究:年冒东奎等对含相变材料的壁板进行了实验研究近年来国内一些学者对相变蓄热同心套管、圆或椭圆体等蓄热装置进行了理论传热分析引。.本课题主要研究内容..已有研究工作的不足综上所述对于无机结晶水合盐、石蜡及脂肪酸类有机固液相变材料以及武汉理工大学硕士学位论文多元醇、高密度聚乙烯等固.固相变材料已进行了大量的实验研究。但针对金属及合金高温储热材料的研究工作较少对相应该储热材料的储热装置及储热系统的研究更少。.金属相变储热材料一般具有很高的导热系数、较大的储能密度、较好的热稳定性和较长的使用寿命等优点是理想的太阳能高温储热材料。现有的研究主要集中于金属及其合金相变储热材料的相变机理、相变潜热等方面的研究工作。但储能应用的成功与否一方面取决于储能材料的性质如相变温度、相变潜热以及储热材料密度等另一方面储热系统的设计(如储热室的结构、保温材料的应用、管道选取及排列、强化传热等)也是决定储热系统寿命以及储热效率的关键因素直接关系到整个储热系统应用到太阳能热发电的实践运行。因此对金属及其合金太阳能高温储热材料、储热装置的结构以及管道等储热系统的设计有待进一步研究完善。..本文主要工作本课题主要的工作包括两部分:铝合金高温储热材料的研究及其相应储热系统的开发。太阳能热发电中高温储热的温度一般在.。C而铝合金储热材料相变温度可控制在此范围且潜热大。因此本文主要研究熔点在.。C范围内的铝合金相变储热材料设计不同合金成分并通过大量实验测量铝合金的热物理性能研究铝合金高温储热材料储热容量及机理开发储热密度大、相变潜热高的铝合金高温储热材料。铝合金是一种高效的太阳能高温储热材料但在高温下对管道材料有较高要求同时其相应储热系统的设计也有待开发。本文分析了不同管道材料的优缺点及铝合金对不锈钢的腐蚀机理探索了铝合金储热材料的管道材料选择。同时设计开发相应的储热系统包括保温材料应用、储热室结构设计以及热交换计算等从而提高储热效率。以上方面研究工作还少见开展该课题的研究可以大大提高储热系统的热交换速度提高系统的换热效率增加系统运行的稳定性降低系统运行的维护成本对太阳能热发电的大规模应用具有切实意义。武汉理工大学硕士学位论文第章铝合金储热材料.铝合金储热材料制备..熔炼及辅助材料铝合金的炉料通常由铝锭、中间合金及回炉料组成。铝锭大都由冶金厂供应。熔制铝合金的常用中间合金是铝硅合金、铝铜合金及铝锌合金等等。辅助材料包括:熔质熔剂、变质剂和除气精炼剂等。)熔质熔剂:可以熔解和吸附铝液中的氧化物使铝液与炉气隔离减少合金的吸气和氧化作用。常用的熔剂为KCI%、NaCI%的混合物。)变质剂:含硅量高的铝合金需进行变质处理以达到细化组织提高机械性能的目的。变质剂为NaF、NaCI、KCI等盐类的混合物常用的变质剂比例为NaF%、NaCl%及NaF%、NaCI.%、KCI.%两种。)除气精炼剂:除气精炼的目的在于去除铝合金熔液中处于悬浮状态的非金属夹杂物、金属氧化物和溶解于合金中的气体。常用的精炼剂有ZnCl、MnCl、TiCl及CC(六氯乙烷)。另外也可通入氮气、氯气来进行除气精炼p州。..熔炼前的准备做好熔炼前的各项准备工作是保证合金质量非常重要的一环。)炉料的准备:所用炉料的化学成份必须准确。为了避免因炉料的原因引起含气量的增加和污染熔炼前所用炉料都必须进行表面清理并预热。)熔炉的准备:通常铝合金的熔炼是在坩埚中进行应根据熔化量选用合适的坩埚。新坩埚使用前应由室温缓慢升温到。C进行焙烧。旧坩埚使用前应检查是否损坏并清除表面熔渣及其它脏物装料前也需预热。)工具的准备:熔炼用的工具包括撇渣勺、取样勺、钟罩、夹料钳、搅拌棒等。所有与铝合金接触的工具都必须进行清理然后预热到,,"(涂刷涂料(氧化锌、水玻璃及水的混合料)然后在、,℃温度下充分干燥、方可使用。武汉理工大学硕士学位论文..熔炼工艺要点铝合金的熔点在"℃之间浇注温度通常为,~,。C。随着温度的不断升高铝合金吸气及金属氧化也不断增加因此在熔炼过程中金属液温度最好不超过℃同时要避免经常搅动从而减少金属液氧化。铝合金熔炼的装料顺序对保证快速熔化、减少元素烧损、提高熔炉的生产率有很大关系【】。其原则是:)当用铝锭和中间合金进行熔化时首先装入铝锭然后加入中间合金。)当用预制合金锭进行熔炼时首先装入预制合金锭然后补加所需数量的铝和中间合金。)当炉料由回炉料和铝锭组成时首先熔化炉料中最多的那一部分。)当熔炉的容量足以同时装入几种炉料时则应首先一起装入熔点相近的成份。)容易烧损和低熔点的炉料如镁和锌应在最后加入。)在连续熔化时坩埚内应剩余一部分铝液以加速下一炉的熔化。)采用覆盖熔剂时应在炉料开始熔化时就加入熔剂。现以A.Cu.Mg.Zn铝合金为例简述其熔炼工艺过程)将坩埚预热到暗红色(约"C)并将工具烘干。)在坩埚底部放入炉料升温熔化。熔化后进行搅拌并用钟罩将镁锭压入。)用氩气进行除气精炼处理温度为.。C。用通气管加入同时积极搅拌熔液。)用%的三元变质剂进行变质处理处理温度在℃左右。)达到浇注温度(.。C)后扒渣进行炉前检验合格后即可浇注。.铝合金的选择设计不同成分的铝合金进行试验对实验结果分析可知:此次设计的不同成分的铝合金储热材料相变潜热大相变温度分布广。在。C之间可以广泛应用于太阳能热发电中高温储热材料。在这些储热材料中A.Cu.MgZn合金具有优异的储热性能。武汉理工凡学硕}学位论文其DSC曲线及金相组织如图和图图lAICuMgZn的DSC曲线FigDSCcurveofAlCuMgZn图AICuMgZn的金相组织fX)FigMicrostructureofAICuMgZn(X)对图I进行分析可知.在"C时DSC曲线出现第一次突变下凹阶段表明铝台金储热材料开始发生第一次相变.该阶段持续到℃.焓变为一武汉理工大学硕学位论文J儋当温度继续上升到."C时DSC曲线出现第二次突变下凹阶段表明该储热材料开始发生第二次相变过程其相变温度范围为.℃"'.℃之间该阶段其焓变为..J儋温度继续升高时未发生相变过程因此该种储热材料在℃升温期间发生了两个相变吸热阶段原因是该合金中的不同组织的的熔点范围不一致因此在不同的温度区间发生了相变吸热过程。从图.分析可知基体为a固溶体在a固溶体上分布块状ACuMg基体周围分布MZn。第一次相变过程中发生低熔点的ACuMg熔化和MZn分解过程MZn分解后析出的Mg熔化剩下熔点相对较高的MgZn。当温度升高到.℃时开始发生第二个相变过程这~过程持续到.℃。在此过程中铝基体和熔点相对较高的MgZn熔化。从图一还可以看出该材料在相变过程中质量变化只有.%在测试中的质量损失较少具有良好的使用寿命具有反复使用的潜力。通过排水法测得实验设计合金的密度可知A.Cu.Mg.Zn合金密度很大为.g/cm因此其体积焓变高达.J/cm(体积焓变=总焓变×密度)在相变温度范围上也符合太阳能热发电中高温储热的要求。制备这种铝合金储热材料的工艺流程简单、设备少、成本低可以实现产业化应用。该高温储热材料组织成分及具体热物理参数如下:组织成分:AIACuMgMZn密度:./cm体积焓变:..J/cm:第一次相态变化温度范围:."C"'.℃峰值温度:."C焓变:一.J/g第二次相态变化温度范围:.℃"'.℃峰值温度.℃焓变:.J/g武汉理工大学硕士学位论文第章管道材料储热应用的成功与否一方面取决于储热材料的性质另一方面管道材料的选择以及与储热材料的相容性也是决定储热系统寿命的关键因素。选择管道材料需要考虑的因素有很多包括:管道的物理性能如强度、刚度、热稳定性、密封性、耐久性、安全性等管道与储热材料的相容性如有无腐蚀、管道材料和储热材料是否相互渗透、有无化学反应等经济性如管道材料的成本及制造难易程度等。在实际应用中找到同时满足上述特性的管道材料很困难有时只能牺牲一些不很重要的性能以求在主要的性能上得以满足。本文选择管道材料时主要考虑管道与储热材料的相容性与稳定性然后是管道材料的物理性能。因为在长期的吸、放热循环过程中储热材料与管道壳体之间可能发生化学、电化学及物理反应使管道遭受明显腐蚀或使储热材料的热物性有明显改变。相变材料在相变过程往往伴有体积变化在选择相变材料的管道材料和结构设计时应特别注意。因此恰当选择储热材料的管道及封装可以延长储热系统的使用寿命、提高工作安全程度以及储热效率。该课题中管内盛装储热密度大的铝合金高温相变材料高温空气在管外流动管道材料必须具备耐高温、耐腐蚀、导热性能好、较高的抗热裂及抗裂纹扩展、较低的热膨胀等性能同时由于铝合金对铁具有一定的腐蚀性储热系统工作时储热材料将在高温与低温之间反复进行熔化和凝固的过程一般的不锈钢很难作为该储热材料的管道。为使盛装相变材料的管道在储热系统运行时保持一定形状保证较长的使用寿命慎重选择至关重要。现根据课题要求从以下几方面进行研究。.陶瓷管道材料与传统陶瓷相比新型陶瓷具有如下特点:)在原料上新型陶瓷突破了传统陶瓷以粘土为主要原料的界限通常以氧化物、氮化物、硅化物、碳化物等作为主要原料。)在化学组成控制上传统陶瓷的组成由粘土的成分决定所以不同产地和炉窑的陶瓷有不同的化学组成和性能。而新型陶瓷的原料是化武汉理工大学硕士学位论文合物成分由人工配比决定其性质的优劣由原料的纯度和工艺决定与产地关系不大。)在制备工艺上突破了传统陶瓷以普通炉窑为主要生产设备的界限广泛采用真空烧结、保护气氛烧结、热压、热等静压等手段。)在性能上新型陶瓷具有不同于传统陶瓷的特殊性能和功能如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电或绝缘以及在磁、电、光、声、生物工程等方面具有的特殊功能。)在应用方面传统陶瓷主要应用于工业及人们日常生活中而新型陶瓷多用于现代科技中的高、精、尖端领域。陶瓷材料既可以抗铝液侵蚀也可以抗空气氧化但多次热胀冷缩和工作时产生的冲击可能使之出现裂纹而失效。有实验表明:在钢的表面铸嵌黑刚玉颗粒的试样抗铝液侵蚀能力较强在铝合金熔液中保持h后损耗率为O.%t】。结合课题的要求和新型陶瓷在此方面独特的性能优势通过广泛查阅资料可知选择合适的陶瓷材料作为盛装高温蓄热材料铝合金的管道是可行的。..碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷是高温陶瓷换热器的核心元件特点是硬度大、高温强度大、高温抗氧化性能好等是很好的工程材料和结构材料除用作磨料外还用作高温耐火材料、窑具、电热元件、电动机及气轮机的制造等。但普通工业SiC制品的热导率相当低"C时SiN结合SiC陶瓷材料的热导率为.W·m.K一硅酸盐结合SiC陶瓷材料的热导率仅为.W·m一·K~。因此需要考虑高性能、高热导率的碳化硅管该类管道的研究已较成熟。由佛山陶瓷研究所制造的碳化硅管主要成分为SiC其次含有少量Si、Ah、Fe、MgO、CaO、K、Na等。该管经采用华南理工大学等静压成型技术在高温。C下烧结而成这种静压碳化硅的综合性能良好成型方便【】。碳化硅在高温下非常稳定在常压下其分解温度为℃当压力较高时(>xSPa)其分解温度为℃在还原性和中性介质中直到约℃其性能还很稳定只有在氧化介质中SiC在℃以上时才被氧化。由此看来在课题要求的℃左右高温空气的条件下SiC能很好的满足使用要求。另经导热和抗压强度试验表明等静压SiC管导热系数九在K时可达.W·m"I'K~抗压强度高平均值为.×Pa。..氮化硅陶瓷武汉理工大学硕士学位论文siN陶瓷室温强度不高而高温强度较高且其强度强烈地依赖于气孔率。对气孔率趋于零的热压和无压烧结SiN则常温强度较高但它们的高温强度强烈地受晶界相物质的影响与晶界物质的性质(软化点和熔点等)和数量有关。SiN具有较高硬度仅次于金刚石、立方氮化硼、碳化硼等。耐磨具有自润滑性但它仍属于脆性材料受瞬时冲击易破碎。SiN陶瓷的热膨胀系数仅为.x一/'C比MgO、A低很多密度低理论密度为.士./cm比热容约为.J/(g·K)。其热导率是比较高的一般热导率为.W/(m·K)优良的氮化硅陶瓷材料热导率可达.W/(m·k)。SiN材料低的热膨胀系数、高的导热率及机械强度使其具有优良的抗热震性。同时SiN的抗氧化温度可达.。C具有高温抗氧化性。这种材料几乎不受各类无机酸的腐蚀常温下不受强碱作用但易被熔融碱液侵蚀。SiaN的另一个优点是不受大部分熔融金属侵蚀不反应不润湿如SiN作容器用熔融铝浸泡天也不反应。SiN制品在烧结过程中几乎不发生收缩可制成精密度高的管道。对氮化硅陶瓷的特殊性能分析后可知氮化硅陶瓷是合适的铝合金高温储热材料的管道材料之一。不同工业制备的氮化硅陶瓷性能不同【如表.。表.不同氮化硅陶瓷性能比较TablelPropertiescomparingofdifferentnitridesiliconceramic..塞隆陶瓷武汉理工大学硕士学位论文sialon陶瓷属于氮化硅固溶体其特点是高温强度大、抗热震性能好适合用于课题中铝合金高温储热材料的管道材料。sialon陶瓷一般

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太阳能热发电中铝基合金高温相变储热材料及储热系统研究

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