显热储热材料的制备及性能研究

显热储热材料的制备及性能研究朱教群,张󰀁炳,周卫兵(武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,湖北武汉430070)摘要:采用水泥作为材料的胶凝剂,添加热容、热导率大的物质作为骨料来制备混凝土储热材料。研究表明:当铝酸盐水泥含量为10%时,材料的抗压、抗折强度能满足工业需求;材料的比热容随温度的升高先增大,在500󰀁时达到最大,后随着温度的升高反而降低;材料的热导率随着石墨粉含量的增加几乎成直线上升,当石墨含量为5%时材料的热导率大于1󰀁7W/(m󰀁K)。关键词:显热;储热;比热容;热导率;混凝土中图分类号:TB34󰀁文献标识码:A󰀁文章编号:1004-7948(2007)04-0032-021引言热能存储材料可分为储热材料和储冷材料两种。人们对热能储存材料的认识及研究仅是最近几十年的事情,但由于它的应用十分广泛,已成为一种日益受到人们重视的新材料。目前的热能储存材料主要有三大类:显热储存材料、潜热储存材料和化学反应热储存材料,三者各有优缺点[1,2]:潜热储能也称为相变储能,它是当今世界上流行的研究趋势,其储能密度大约比显热储能高一个数量级,而且放热温度恒定,但其储热介质一般有过冷、相分离和导热系数较小、易老化等缺点;化学反应储能是一种高能量、高密度的储存方式,它的储能密度一般都高于显热和潜热,而且此种储能体系通过催化剂或产物分离方法极易用于长期能量储存,但其在实用时存在技术复杂、一次性投资大及整体效率不高等缺点;显热储热运行方式简单,成本低廉,使用寿命长,热传导率高,但其储热量小且放热时不恒温,故时下关于这方面的研究比较少。显热储热实际上就是利用材料自身的高热容和热导率通过自身温度的升高从而达到储热的目的。目前主要应用的显热储热材料有硅质、镁质耐火砖,硝酸盐,铸钢铸铁,原油等热容较大的物质。本文对用不同成分水泥制备的混凝土储能材料进行研究。2试验条件本实验采用遵义县鸭溪盛华水泥有限公司生产的铝酸盐C80水泥(分别采用5%和10%两种含量来进行对比)作为胶凝材料,其原因是铝酸盐水泥的抗腐蚀性要强于硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥;采用山东省章丘市山玉石材开发有限公司生产(湖北省随州)的玄武岩以及武汉钢铁公司冶炼后的铜矿渣作为粗骨料,因为玄武岩和铜矿渣自身热容大;采用兴越建材贸易有限公司生产的矿渣粉以及过200目筛的硅微粉作为细骨料,再分别向其中添加不同含量(分别为0、1%、3%、5%)的工业用石墨粉以增加材料的导热性能,将其按照一定比例混合均匀,在100mm󰀁100mm󰀁100mm的模具中成型、捣实,三天后脱模,并且在烘箱内于105󰀁下烘烤48h。其测试抗折强度的试样的成型模具尺寸为40mm󰀁40mm󰀁160mm,试验在武汉建材研究设计院完成。3试验结果分析讨论3󰀁1混凝土力学性能采用5%含量的水泥制备混凝土储热材料,其抗压、抗折强度基本上不能满足实际工业用途;采用10%含量的水泥制备混凝土储热材料时,其抗压、抗折强度能满足工业化要求,性能对比见表1。表1󰀁添加不同含量石墨粉的混凝土抗压、抗折强度石墨含量01%3%5%抗压强度/MPa29.922.619.213.6水泥含量5%抗折强度/MPa6.05.34.43.8抗压强度/MPa53.44741.235.1水泥含量10%抗折强度/MPa9.28.57.66.4󰀁󰀁由于混凝土粗骨料中的铜矿渣自身的强度较低,从而导致混凝土强度较低;另一方面,石墨粉的加入会阻碍粗细骨料之间的粘接,从而整体上降低了混凝土的强度;因而水泥含量为5%时成型的混凝土材料整体强度过低;当水泥含量为10%时,胶凝材料与粗细骨料的接触面积大大增加,从而提高了混凝土材料的整体强度。3󰀁2混凝土热学性能󰀁32󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁节󰀁󰀁󰀁能ENERGYCONSERVATION󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2007年第4期(总第297期)3󰀁2󰀁1混凝土比热容将混凝土材料碾碎后在混料机上机混24h,采用德国耐驰公司生产的NETZSCHSTA449C差热分析仪测试材料的热容值。材料设计的工作温度小于600󰀁,过高其粗骨料铜矿渣会熔化,导致材料损坏。材料热容值见图1。

图1󰀁混凝土热容值随温度变化曲线󰀁󰀁从图1中可以看出,在150󰀁后材料的热容值随着温度的上升而近乎直线增加,在500󰀁附近达到最大值,基本上在7~8kJ/(kg󰀁K)之间,后随着温度的进一步上升反而降低。在150󰀁前随温度的上升而降低的具体原因目前尚不明确,猜测可能是由于材料中的水分挥发吸热而导致误差。从图中可以看出材料的最佳工作温度范围在350~600󰀁,在此温度范围内材料的热容值均达到4󰀁5kJ/(kg󰀁K)以上,这个数值甚至已经达到或超过了低温下使用的石蜡4󰀁6~7󰀁1kJ/(kg󰀁K)、水4.18kJ/(kg󰀁K),甚至硝酸盐6󰀁7kJ/(kg󰀁K)等相变材料的热容值(测试温度为27~62󰀁)[3~5],基本能满足大规模的工业化应用。3󰀁2󰀁2混凝土的热导率将材料用200mm󰀁200mm󰀁200mm的模具成型后,加工成两块200mm󰀁200mm󰀁60mm的厚板和一块200mm󰀁200mm󰀁30mm的薄板。试验采用湘潭湘仪仪器有限公司生产的DRM-󰀁导热系数测试仪进行测试,该仪器测试范围为0󰀁035~1󰀁7W/(m󰀁K)。其结果如图2所示。󰀁󰀁从图2中可以看出,不含石墨的混凝土的热导率高于0󰀁8W/(m󰀁K),比普通混凝土热导率高[6],普通混凝土热导率一般为0󰀁4~0󰀁7W/(m󰀁K),其原因可能是由于材料中含有热导率较高的玄武岩和铜矿渣;当混凝土中石墨含量达到3%时,材料整体热导率达到了1󰀁68W/(m󰀁K);当石墨含量达到5%时,仪器无法准确测出混凝土材料的热导率,这说明当石墨含量达到5%时,材料的整体热导率超过了1󰀁7W/(m󰀁K)。远远高于绝大部分的相变储热和化学储热材料的热导率[3]。图2󰀁混凝土热导率随石墨含量变化曲线4结论(1)使用5%含量水泥制备混凝土时,由于添加了影响强度的石墨粉,所以导致材料的强度急剧下󰀁33󰀁2007年第4期(总第297期)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁节󰀁󰀁󰀁能ENERGYCONSERVATION󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁降,且当石墨含量为5%时材料强度仅有13󰀁6MPa,不能适用于工业应用;当水泥含量提高到10%时,材料整体强度得到较大提高,且当石墨含量为5%时材料强度仍有35󰀁1MPa,基本能满足工业应用。(2)由于材料中添加了热容较大的玄武岩和铜矿渣等粗骨料,且粗骨料的含量不随石墨含量的变化而变化,所以整个材料的比热容值变化不大,且材料在350󰀁时热容值达到4󰀁5kJ/(kg󰀁K),已经接近甚至超过某些低温下使用的相变材料的热容值,在500󰀁附近达到最大值。从图中可以看出材料的最佳工作温度为350~600󰀁之间。(3)材料整体的热导率随着石墨粉的增加而几乎成直线上升,当石墨粉含量为3%时为1󰀁68W/(m󰀁K),石墨粉含量为5%时材料的整体热导率大于1󰀁7W/(m󰀁K)(超出仪器测量量程)。(4)对混凝土强度要求较低的地方(<40MPa),应用石墨含量为5%的混凝土材料可以满足需求;对混凝土强度要求较高的地方(>40MPa),应用石墨含量为3%的混凝土材料为宜。(5)材料成本较相变储能材料和化学储能材料低,可以满足工业化大规模使用;如能为太阳能发电厂提供热量储存,以供夜间和阴雨天气提供热量进行发电;也可为工厂回收工业余热以节约能源,提高能源利用率。参考文献[1]余晓福,张正国,王世平.复合蓄热材料研究进展[J].新能源,1999,21(9):35-38.[2]HASSANE.S.FATH.TechnicalAssessmentofSolarTher󰀁malEnergyStorageTechnologies[J].RenewableEnergy,1998,14(124):35-40.[3]CVACCWRINO,TFIORAVNTI.ANewSystemforHeatStorageUtilizingSaltHydrates[J].SolarEnergy,1983,30(2):123-125.[4]贺岩峰,张会轩,燕淑春.热能储存材料研究进展[J].现代化工,1994(8):8-21.[5]林文贤,李云苍.中国太阳能学会热利用年会:无机水合盐潜热贮材料综述[C].深圳:海天出版社,1986:1-24.[6]赵铁军,李秋义.高强与高性能混凝土及其应用[M].北京:中国建材工业出版社,2004,4.作者简介:朱教群(1964-),男,博士,教授,主要从事能源材料的研究。收稿日期:2007-02-10;修回日期:2007-03-26玉米秸秆粉碎特性试验研究李海军1,戴益敏2,张󰀁英1(1󰀁中原工学院,河南郑州450007;2󰀁温州市公用事业监管中心,浙江温州325000)摘要:对不同含水率、筛孔直径、锤片数量下玉米秸秆粉碎机的吨料电耗、锤片厚度及度电产量等性能参数进行了试验研究。结果表明:对于相同筛孔直径,随着含水率的增大,负荷输入功率基本不变,吨料电耗增加,生产率降低;对于相同含水率的玉米秸秆,随着筛孔直径的增大,吨料电耗、负荷输入功率降低;度电产量和粉碎效率随着锤片厚度的减薄而增加,当锤片厚度为4mm时,既能够保持较高的粉碎效率,又保证了一定的耐用度。关键词:含水率;吨料电耗;负荷输入功率;筛孔直径;度电产量中图分类号:TQ029󰀁文献标识码:A󰀁文章编号:1004-7948(2007)04-0034-031引言当前矿物能源的短缺和环境问题的日趋严重,使生物质资源的规模化利用显得尤为重要。对于数量处于第一位的玉米秸秆来说,其综合利用对于社会、经济及环境可持续发展具有重要意义。目前玉米秸秆规模化利用技术主要包括干馏炭化技术、气化技术、饲料技术、致密成型技术、液化技术等,诸技术都需要进行前期粉碎,故玉米秸秆的粉碎特性研究势在必行。我国用于玉米秸秆粉碎的设备已有30多年的历史[1],型号较为齐全,但存在粉碎机运行不稳定、物料适应性差、能耗大等缺点,不能有效地满足玉米秸秆规模化粉碎的要求。为此,本文利用目前市场上具有代表性的9FQ󰀁650型(锤片式)粉碎机,通过对玉米秸秆大量粉碎试验研究,分析玉米秸秆粉碎特性,为粉碎机性能改进提供试验依据,进而为农作物秸秆资源化利用的预处理技术提供科󰀁34󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁节󰀁󰀁󰀁能ENERGYCONSERVATION󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2007年第4期(总第297期)EnergyConservation(Monthly)Sponsor:LiaoningProvincialInstituteofScienceandTechnologyInformationPublisher:EnergyConservationMagazinePublishingHouseChiefEditor:JINNaAddress:No.274,QingnianBoulevard,ShenyangCity,LiaoningProvince,ChinaPostCode:110016CONTENTSFebruary2007Vol.26,No.4TotalIssueNo.297ResearchontheeffectivethermalcoefficientofthermalnaturalventilationincivilbuildingSUIXue󰀁min,GUANYan󰀁ling,LIAn󰀁gui,etal.(TongjiUniversity,Shanghai201804,China)Abstract:Tothecivilbuildingwithinsideheatingsource,usingthetechniqueofCFD,changingtheofheatingsource,theareaofheatingsource,theheightofheatingsource,thedistanceoftwoheatingsource,zhedistancebetweenairintakeandairintake,andtheareaofairoutlet,andsimulatingthefluidfieldofthethermalnaturalventilationindiffer󰀁entconditions,givestheinfluencingfactorsontheeffectivethermalcoef󰀁ficientanditsvariationrule,providestheoryfoundationforzhedesignofnaturalventilationsystem.Keywords:civilbuilding;thermalnaturalventilation;effectivethermalcoefficient;numericalsimulation12Analysisofoperatingconditioninsolar󰀁absorptionrefrigeratingsysteminsummerGAOYue󰀁fen,SHIGuo󰀁hua(NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding,Hebei071003,China)Abstract:Asolar󰀁absorptionrefrigeratingsystemusesthesolarenergyasthedrivingpower,whichisanenergy󰀁savingsystemandalsofriendlytotheenvironment.However,asthesolarenergyisanunstableenergywithdiscontinuityandinstability,thesolarenergysupplyingtothesys󰀁temisunsteady,whichaffectsthesecurityandthestabilityofthesys󰀁tem.Tosolvetheproblem,atypicalsolar󰀁absorptionrefrigeratingsystemisputforwardtointhepaper.Thentheoperatingconditionsinsummerandtheiroperatingperformancearediscussed.Keywords:solarenergy;solar󰀁absorptionrefrigeratingsystem;operat󰀁ingcondition17NumericalofairflowinarchesofgratestokersQIANHuan󰀁qun,MIAOZheng󰀁qing(ShandongJianzhuUniversity,Jinan250101,China)Abstract:AirFlowinArchesofGrateStokerswasresearchedbynu󰀁mericalmethod.Basedonthecalculatedresults,therelationsofcombina󰀁tionoffrontarchandreararchtoevaporationcapacityandairdistribu󰀁tionwereanalyzed.Thetelationswereappliedtomodificationofarchesandgoodeffectwasmade.Keywords:gratestokers;frontarch;reararch;airflow20SoftwaredesignofpinchtechnologybasedonmergingprogrammingofVBandMatlabJIAOMing,XUHong,QIXue󰀁gui,etal.(EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)Abstract:BasedonMergingProgrammingofVBandMatlab,thispro󰀁gramhasbeenmadeaboutproblemTableAlgorithmofpinchinHeatExchangerNetworksSynthesis.Itcancalculatetheminimalnumberofcoldflowandheatflowthatsystemneed,italsocanplotsthecompositecurveandtheprocessgrandcompositecurve.Keywords:heatexchangernetworks;pinch;VB;Matlab;mergingpro󰀁gramming21ThenumbericresearchoftheheatexchangecharactersoftheAircoolingradiatorBAIZHong󰀁hua,FUWen󰀁feng,LIFu󰀁yun,etal.(NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China)Abstract:Withthemethodofnumericanalogue,proceedingthenumer󰀁iccomparisonbetweenthefintubeofellipseandfintubeofcircle,ob󰀁tainingthedistributionoftheflowfieldandcomingtotheconclusionthattheradiatinglevelofthefintubeofellipseispriortothatofcircle;withthecomparisonresearchofaseriesofninefintubesindifferentra󰀁tioesoflengthandwidth,andgivingtheconceptoftheoptimalratiooflengthandwidth.Keywords:thefintube;numericcomparison;air󰀁coolingunit;theopti󰀁malratiooflengthandwidth25ThewidthorientationsimulationoffluegasinhorizontalfluesofboilersCHENGHeng󰀁sheng,LIUXiang󰀁long(SuZhouAdvancedElectromechanicalTechnologySchool,Suzhou215008,China)Abstract:Researchtheheatdeviation,mustknowthedistributionoffluegastemperaturefirst.Thedistributionoffluegastemperaturewassimulatedbyfragmentfunctions.Accordingtothecalculationoftheex󰀁ample,thismethodoffragmentfunctionsisuseful.Keywords:boiler;tangentialcircle;temperaturedeviationoffluegas28Severalparameters󰀁changesofthelowtemperaturefloorradiationheatingmadewhenthethermalconductivityofcementmortarMAYin󰀁zhi,ZHENGQing󰀁hong(Xi󰀁anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi󰀁an710055,China)Abstract:analyzedseveralparameters󰀁changesofthelow-temperaturefloorradiationheatingmodewhenthethermalconductivityofcementmortarwhichinthefillinglayerwasaltered,andcomparedtheresultsofenergysavingwhenthethermalconductivitywaschangedbeforeandaf󰀁ter.Keywords:floorradiationheating;cementmortar;energyconservation30PreparationandresearchingofsensibleheatstoragematerialZHUJiao󰀁qun,ZHANGBing,ZHOUWei󰀁bing(StateKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforMaterialsSynthesisandProcessinginWuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)Abstract:Usingcementtopreparethesensibleheatstoragematerial,anditisforimprovingthecapabilityofmaterialbyinterfusingsomemat󰀁terswhichhavelargeheatcapacityandhighheatconductivity.There󰀁sultshowsthat:thecompressionalandflexuralstrengthofconcretecanbeappliedforindustrywhenthecontentofcementinthisconcretereaches10%;theheatcapacityofthematerialincreasesfirstbythetem󰀁peraturerising,anditreachesmaxat500󰀁,afterthattemperaturetheheatcapacityofmaterialreducesbythetemperaturerising;theheatcon󰀁ductivityofmaterialimprovesrapidlybythecontentofthegraphitein󰀁creasing,andtheheatconductivitypreponderatesover1󰀁7w/(m󰀁K)whenthecontentofgraphiteis5%inthematerial.Keywords:sensibleheat;heatstorage;heatcapacity;heatconductivity;concrete32󰀁2󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁节󰀁󰀁󰀁能ENERGYCONSERVATION󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2007年第4期(总第297期)