基于Al-Si-Cu-Mg-Zn合金的高温储热材料优化设计与储热性能研究

论文摘要

热能储存是太阳能热发电技术的关键,也是解决能源问题的核心技术,目前正受到广泛的研究关注。储热材料的选择关系到热能储存的效率与效果,金属相变储热材料储热量高,稳定性好,广泛应用于高温储热,因此成为本文研究的出发点。本文基于Al-Si-Cu-Mg-Zn合金优良的储热性能,对材料进行成分的优化设计,使其在储热量、相变温度范围方面更加适应太阳能热发电系统的实际工作需要。本文共设计制备了Al-Cu类、Al-Si-Cu类、Al-Cu-Mg类、Al-Cu-Zn类四类合金共12个试样,通过相图分析、等离子光谱分析、金相显微分析、X射线衍射分析、差示扫描量热分析、基于阿基米德原理的排液法等分析测试方法,对试样的元素含量、金相组织、物相结构、潜热、密度进行分析与测量,并依据奈曼-柯普定律完成显热计算。结合潜热与显热以全面评价材料的储热能力,且通过密度将单位质量储热量换算为单位体积储热量,以便在有限的储热室空间里更直观地评价材料储热能力。根据测试与计算结果,本文所制备的12种铝基合金相变储热材料的储热量均大于900J/cm3,相变温度范围为450～650℃,可用作太阳能热发电系统的储热材料。储热材料单位质量相变潜热受元素热焓值和物相组织热焓值的影响。受元素热焓值影响,Al-Cu类合金储热材料单位质量相变潜热比其余三类高,Al-Cu-Mg类合金其次;受物相组织热焓值影响,Al-Cu类中的B2合金具有最高的单位质量相变潜热值。材料的显热主要跟各组成元素的比热容及其含量有关,Al-Cu类合金的单位质量显热比其它三类要高,且B1合金显热最高。计算发现各合金显热值较可观且差值较小。结合潜热及显热来分析合金的单位质量总储热量,Al-Cu类合金的显热和潜热均高于其它三类,综合储热能力最佳;尽管Al-Cu-Mg类合金具有较高潜热值,但其显热最差,故总储热量不佳。通过添加Cu、Zn元素可增大材料密度,从而极大地提高材料单位体积总储热量。因此,Al-Cu类、Al-Cu-Zn类合金具有较大的单位体积储热量。综合所制备的材料来看,Al-Cu类中的B2合金在单位体积储热能力上表现最佳,且相变温度范围为549.2～559℃,适用于太阳能热发电系统。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 储热材料的概念及其分类
• 1.2.1 相变储热材料简介
• 1.2.2 相变储热材料的分类
• 1.3 铝基合金的相变储热机理
• 1.4 铝基合金相变储热材料的国内外研究现状
• 1.5 课题研究目的及内容
• 第2章 材料成分设计与试样制备
• 2.1 铝及铝合金的简介
• 2.1.1 纯铝的物理性能介绍
• 2.1.2 各系铝合金的特性介绍
• 2.2 材料成分设计
• 2.3 材料试样制备
• 2.3.1 实验原料与仪器设备
• 2.3.2 试样制备过程
• 2.4 等离子光谱分析实验及数据分析
• 2.4.1 等离子光谱分析简介
• 2.4.2 等离子光谱分析测试
• 2.5 本章小结
• 第3章 材料金相组织分析及物相定性分析
• 3.1 金相分析及物相分析简介
• 3.1.1 金相组织分析
• 3.1.2 X射线衍射物相定性分析
• 3.2 金相试样制备
• 3.2.1 实验仪器及耗材
• 3.2.2 试样制备过程
• 3.3 金相组织观察及XRD分析
• 3.3.1 实验仪器
• 3.3.2 金相组织照片及XRD图谱分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 铝基合金相变储热材料储热能力
• 4.1 单位质量铝基合金储热材料的储热能力
• 4.1.1 单位质量铝基合金储热材料的潜热测量
• 4.1.2 单位质量铝基合金储热材料的显热计算
• 4.1.3 单位质量铝基合金储热材料的储热能力
• 4.2 铝基合金材料密度的测量
• 4.2.1 实验仪器及材料
• 4.2.2 实验步骤及计算
• 4.2.3 实验计算结果
• 4.3 单位体积铝基合金储热材料的储热能力
• 4.3.1 单位体积铝基合金储热材料的潜热
• 4.3.2 单位体积铝基合金储热材料的显热
• 4.3.3 单位体积铝基合金储热材料的储热能力
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录