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ICM论文 | 华南理工大学张正国教授团队:电场操控温度,能量转换再升级!无机熔盐复合相变材料的电热进化之路

已有 717 次阅读 2024-5-23 12:20 |个人分类:ICM文章|系统分类:论文交流

ICM应用为导向的高水平创新研究

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  • 文章导读

熔盐相变材料由于其相变温度范围广、密度大、成本低而在潜热储能领域具有重要的应用前景。直接电加热(DEH)是指通过电流直接加热相变材料,从而实现能量存储。这种转变消除了间接电加热(IEH)的中间传热过程,从而提高了能量转换效率。将熔盐相变材料与DEH有效结合,可为能源存储与转换领域带来全新可能。

华南理工大学张正国教授研究团队采用气相二氧化硅吸附LiNO3-KCl共晶盐,通过调节膨胀石墨(EG)用量形成有效的导电网络,制备了具有导电性和形状稳定性的无机熔盐复合相变材料(CPCM)。将CPCM制成电热转换模块(EThCM)并探究了与EThCM温度均匀性有关的影响因素,提出了一种利用电场调节模块温度场的策略。通过电场调节EThCM温度场,实现DEH储能方式的高效提升,为熔盐复合相变材料电热转化的应用提供了重要的指导。

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图文摘要:直接电加热EThCM实现电热转换

上述成果发表在Industrial Chemistry & Materials,题为:Preparation of inorganic molten salt composite phase change materials and study on their electrothermal conversion properties。欢迎扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”免费阅读、下载

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https://doi.org/10.1039/D4IM00009A

  • 本文亮点

制备了一种可用于直接电加热进行电热转换的导电且形状稳定的无机熔盐CPCM;

EThCM中EG的加入量超过3 wt%时,模块的导电网络形成;

研究了影响EThCM温度均匀性的关键因素;

使用DEH,储能率比IEH提高93.8%。

  • 图文解读

1. 直接电加热无机熔盐复合相变材料电热转换过程示意图

使用石墨板作为电极粘在CPCM块体两端,并利用导电银胶来降低接触电阻。使用有机硅灌封胶对块体进行灌封操作以防止空气中的水分使材料在电加热过程中吸潮。EThCM外部使用保温棉包裹,以减少电热转换实验中的热量损失。将EThCM中的热电偶连接至安捷伦数据采集器,用于监测块体内部温度;将电源正极负极夹头分别夹住EThCM两端的电极,从而实现直接电加热EThCM。

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图1. 直接电加热无机熔盐复合相变材料电热转换过程示意图

2. EG调控CPCM导电网络的方式

随着EG用量的增加,复合块体的体积电阻率和热导率呈相反趋势,这归因于EG的高电导率和热导率。EG由层状碳原子组成,每层碳原子通过共价键连接成六边形环。这种层状结构使电子和热量沿平面方向快速传导。此外,EG的多孔结构提供了额外的传导途径,促进了材料内电子和热量的传递

CPCM块体电阻率随EG含量的变化呈非线性关系。这是由于EG的渗透效应的存在。当EG的量超过临界值时,材料内部形成完整的导电网络,导致材料的电阻率急剧下降。随着EG含量的增加,CPCM块体从电绝缘体迅速转变为导体,EG的电渗透阈值在2 wt%左右。当EG用量大于3 wt%时,导电网络已经基本形成

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图2. EG调控CPCM导电网络的方式

3. EThCM温度均匀性的影响因素

由于石墨电极和CPCM块之间的温升速率不一致,电热转换模块的温度分布呈先降低后升高的渐变趋势(图3)。研究发现石墨电极存在一个临界电阻值。当石墨电极的电阻处于临界值时,电加热过程中整个EThCM的温度分布是均匀的

通过对不同工况下未密封的EThCM的数值模拟(图4),发现在石墨电极电阻处于临界值时(图4d),石墨电极与CPCM块受热均匀,各监测点温差较小。这证实了石墨电极临界电阻的存在。

随着外加电压增加,EThCM内部温差扩大(图5)。这是由于高电压导致石墨电极发热功率增加,使得与CPCM块之间的发热功率差增大。同时,石墨电极与CPCM块接触电阻导致接触界面处的发热功率急剧增加,进一步扩大了温差。随着加热时间的增加,温差趋于稳定,因为石墨电极的散热能力随温度升高增强,使得散热功率与电加热功率达到平衡,温差也趋于平衡。

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图3. EThCM温度分布情况

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图4. 电极电阻分布对EThCM温度均匀性的影响分析

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图5. 外加电压量级对EThCM温度均匀性的影响分析

4. 潜热蓄热阶段电热转换性能分析

4.5 V的输入电压下,预计显热和潜热储存阶段的温差约为6℃,加热速度超过9℃ min⁻¹。随着加热过程进行,材料中发生了相变,材料电阻率缓慢上升约10%。EThCM经历显热和潜热两个蓄热阶段。模块升温速率呈现先减小后增大的趋势,而温差呈现先增大后减小并达到峰值的趋势。

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图6. 潜热蓄热阶段电热转换性能分析

5. IEH与DEH仿真结果对比

对两种加热方式进行建模仿真,结果如下:

DEH的蓄热速率显著高于IEH:当IEH模式运行至2050秒时,CPCM地块的某些局部位置仍未达到200℃,而DEH模型在运行至1100秒时,整个CPCM区块已经达到了200℃。

DEH模型的温度均匀性优于IEH模型:IEH模型在1000秒时的温度范围为120℃至160℃,温差为40℃,而DEH模型在运行至1100秒时的温度范围为200℃至220℃,温差减小至20℃。通过调节电场,可以有效地控制材料的温度场,进一步减小DEH模型的温差,提高其温度均匀性

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图7. IEH与DEH仿真结果对比

  • 总结与展望

本研究采用气相二氧化硅吸附法合成了具有导电性和形状稳定性的无机熔盐复合相变材料(CPCM),通过研究揭示了EG对CPCM热特性的调制规律。将CPCM制成电热转换模块(EThCM)后,发现模块温度的均匀性与EG量、电极电阻分布和外部电压大小相关。基于这一发现,提出了利用电场调节模块温度场的策略。相较于传统的IEH储能方式,DEH储能方式的储能率提高了93.8%,温度均匀性也得到了改善。后续可设计合适的换热系统,将电热转换模块中的能量以适当方式释放供给用户使用。

撰稿:原文作者

排版:ICM编辑部

文章信息

J. Zuo, H. Luo, Z. Ling, Z. Zhang, X. Fang and W. Zhang, Preparation of inorganic molten salt composite phase change materials and study on their electrothermal conversion properties, Ind. Chem. Mater., 2024, https://doi.org/10.1039/D4IM00009A. 

  • 作者简介

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通讯作者

张正国,华南理工大学化学与化工学院教授,博士生导师,主要研究方向为强化传热及储热材料与技术,作为项目负责人先后主持科技部863计划项目和重点研发计划课题、国家自然科学基金(联合基金)重点项目和面上项目、广东省自然科学基金团队项目、广东省应用型科技研发专项及企业合作项目等60多项。在能源、化工领域主流国际学术期刊发表SCI收录论文260多篇,其中13篇论文入选ESI高被引论文,文章总被引16000余次,h指数为73。获授权美国、英国和中国发明专利20多件。“螺旋隔板强化管换热器”在石油、化工企业推广应用、“复合相变储热材料”在热泵、空调系统及军事领域应用。获教育部及广东省科技奖励二等奖4项。入选2023年度全球前2%顶尖科学家榜单。

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通讯作者

凌子夜,华南理工大学化学与化工学院副研究员,研究方向为相变传热与高效热能利用。在Applied EnergySolar Energy Materials and Solar Cells等期刊已发表论文50余篇,其中ESI高被引论文3篇。主持国家然科学基金青年基金、博士后基金特别资助及面上项目、四川省科技项目等省部级以上项目,获Applied Energy期刊Highly Cited Paper奖、华南理工大学优秀博士学位论文奖。受邀在全国储热科学与技术大会、全国储能工程大会作邀请报告,担任Frontier in Energy Research 、Energies等期刊客座编辑。

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第一作者

左建东,华南理工大学在读硕士研究生,目前主要从事多级封装无机复合相变板在辐射地板系统中的应用课题的研究。

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2024.02.29-2024 Vol 2 Issue 1.png

▶▷ https://pubs.rsc.org/en/journals/journalissues/im#!issueid=im002001&type=current&issnprint=2755-2608 

  • 期刊简介

Industrial Chemistry & Materials (ICM) 目前已被美国化学文摘(CA)、DOAJ、Google Scholar检索,是中国科学院主管,中国科学院过程工程研究所主办,英国皇家化学会(RSC)全球出版发行的Open Access英文期刊,由中国科学院过程工程研究所张锁江院士担任主编。ICM 以化学、化工、材料为学科基础,以交叉为特色,以应用为导向,重点关注工业过程中化学问题、高端材料创制中过程科学的国际前沿和重大技术突破,目前对读者作者双向免费。欢迎广大科研工作者积极投稿、阅读和分享!

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