【摘 要】
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采用相变材料（Phase Change Materials,PCMs）进行热量存储是能源领域高效储能的重要研究方向。石蜡（Paraffin）是最佳的中低温PCMs,其储能密度大（200 k J/kg）、无过冷现象、物化性能稳定、价格便宜。石蜡用于建筑围护结构中,能降低室内温度波动幅度,减少建筑物供暖、空调运行的时间,是提高建筑室内舒适度和节能效率的有效有段。然而,石蜡导热系数低（～0.2 W/m
【基金项目】
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山东省自然科学基金项目（ZR201702120003）； 中国石油大学（华东）自主创新科研计划项目（19CX02043A）。；
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采用相变材料（Phase Change Materials,PCMs）进行热量存储是能源领域高效储能的重要研究方向。石蜡（Paraffin）是最佳的中低温PCMs,其储能密度大（200 k J/kg）、无过冷现象、物化性能稳定、价格便宜。石蜡用于建筑围护结构中,能降低室内温度波动幅度,减少建筑物供暖、空调运行的时间,是提高建筑室内舒适度和节能效率的有效有段。然而,石蜡导热系数低（～0.2 W/m K）,在长期相变循环过程中易挥发泄露,限制了其大规模的商业化应用。因此,如何有效表征、全面评价中低温PCMs的综合性能具有重要意义,值得深入研究。本文提出将混合碳纳米材料（hybrid Carbon Nano-additives,hybrid CNs）加入到Paraffin-高密度聚乙烯（High Density Polyethylene,HDPE）定形相变材料（Shape-stabilized Phase Change Materials,SSPCMs）中,开发具有较高综合性能的复合PCMs。基于功效系数法,实验研究了膨胀石墨-碳纳米管（Expanded Graphite-Multi-walled carbon nanotubes,EG-MWCNT）和膨胀石墨-碳纳米纤维（Expanded Graphite-Carbon Nanofibers,EG-CNF）两种hybrid CNs对Paraffin-HDPE SSPCMs综合性能的影响,包括热稳定性、导热性能、关键热物性（包括相变温度、潜热、比热）、蓄放热速率（或相变时间）。从协同效应和界面接触热阻的角度,对hybrid CNs多相杂交增强导热的机理进行探讨。研究结果表明:（1）hybrid CNs的复配比例对复合PCMs导热系数具有相同的影响规律,按照导热增强的效果由高到低为:EG-MWCNT/EG-CNF=4:1>3:2>5:0>1:1>0:5,EG:MWCNT=4:1的导热系数最大为1.36 W/（m·K）,相比纯石蜡提高了444%。EG-MWCNT和EG-CNF之间存在协同导热效应,EG:MWCNT和EG:CNF=4:1与仅添加5%EG相比,导热系数分别提高了60%和21.2%。（2）从EG-MWCNT和EG-CNF的协同导热效应和界面热阻的角度,分析了hybrid CNs强化复合PCMs导热的机理,并提出以协同因子η修正的Maxwell-Garnett模型作为hybrid CNs复合PCMs的导热系数计算模型。研究表明,Paraffin-HDPE/EG-MWCNT SSPCMs导热性能更好的原因是:第一,协同因子η的大小证明EG-MWCNT比EG-CNF的协同导热效应更强;第二,EG-MWCNT的界面热阻相对较小。（3）综合性能测试表明:第一,20%的HDPE可以起到防泄漏的作用并最大限度地维持石蜡的储热性能。EG:CNF=0:5渗漏率最大为10.90%,EG:MWCNT=5:0渗漏率最小为8.28%,渗漏率随着EG含量增加而减小,EG-MWCNT的稳定性略高于EG-CNF。第二,Tm,1和Tm,2之间的相变温度波动在1.18℃～2.31℃,过冷度在0.1℃～0.5℃。复合PCMs的固态比热大于液态比热,相变潜热只与石蜡所占的质量分数成线性关系,最高的潜热达到170.45k J/kg。第三,相比Paraffin-HDPE SSPCMs,EG:MWCNT=4:1的熔化/凝固耗时缩短了54.6%和42.7%,EG:CNF=4:1的熔化/凝固耗时缩短了47.7%和29.1%。（4）采用功效系数法对CNs/石蜡基SSPCMs进行综合性能评价,分析了7个关键参数,即渗漏率、相变潜热、固态比热、液态比热、导热系数、熔化时间、凝固时间的变异系数、权重、功效系数以及反应综合性能的总功效系数,指出Paraffin-HDPE/EG-MWCNT SSPCMs的综合性能优于Paraffin-HDPE/EG-CNF SSPCMs,EG:MWCNT=4:1实现综合性能的最优化。
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