蓄热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要途径之一,主要应用于太阳能热储存、电力“移峰填谷”、工业废热和余热的回收等领域。相变蓄热以其蓄热密度大、温度变化小、容易控制等优点,日益成为合理利用能源、提高能源利用率、减小环境污染的首选方法。相变储能材料(Phase change materials,PCMs)是相变储能技术研究的基础。目前,绝大多数无机PCMs具有腐蚀性且在相变过程中存在过冷和相分离等问题,使其应用受到限制;而有机PCMs腐蚀性小、在相变过程中几乎没有过冷和相分离,且化学性质稳定、价格便宜,因此,在废热回收、太阳能利用、建筑节能等领域,有机PCMs的应用十分普遍。然而,有机PCMs存在导热系数低的缺点,以致在储能系统应用中系统传热性能差、蓄热量利用率低,降低了系统的能效。因此,对储能技术的一个重要基础研究工作就是相变储能材料的开发。本文针对有机相变材料导热系数低的问题,采用纳米技术对其进行改性,制备了一种适用于生活用热水行业的中低温纳米复合相变蓄热材料。该材料既具备了现有有机相变蓄热材料的优点,又克服了其低导热的缺点。在蓄热过程中,相变材料的蓄、放热速率得到较大程度提高。论文围绕纳米复合相变蓄热材料的制备、相变潜热、比热、导热系数及其相变传热特性,主要进行以下研究工作:1、纳米复合相变蓄热材料的制备。通过可视化沉降分析和温度-时间曲线测试方法,选择既能在液态石蜡中稳定悬浮又能提高其相变传热速率的纳米颗粒。在确定Cu-石蜡为本文研究对象的基础上,考察使液态Cu-石蜡稳定悬浮的最佳分散剂种类和浓度,即以Hitenol BC-10作为分散剂且与纳米Cu颗粒质量比为2.6:1时,液态Cu-石蜡稳定性最佳。利用胶体稳定分散理论解释液态Cu-石蜡体系的悬浮稳定机理。最后采用扫描电镜和红外光谱仪对其微观结构进行分析。2、Cu-石蜡的相变潜热和比热研究。采用差示扫描量热法测量纳米复合蓄热材料的相变潜热、相变温度和比热。考察纳米颗粒浓度和加热冷却循环次数对相变潜热和相变温度的影响;纳米颗粒浓度和温度对Cu-石蜡比热的影响。纳米复合蓄热材料的相变潜热比纯石蜡略低,且随纳米粒子浓度的增大逐渐减小,而相变温度变化不大。经100次循环后,相变潜热最大变化值为3.2%,相变温度最大变化值为1.9%,未发现明显储能性能衰减,说明该复合材料具有很好的储能特性。Cu-石蜡的比热随纳米粒子含量的增大而降低,随温度升高而略有增加。对纳米复合蓄热材料相变潜热和比热减小的原因进行了解释。3、Cu-石蜡导热系数研究。采用瞬态热线法测试Cu-石蜡体系的固态和液态导热系数,研究纳米颗粒质量分数、温度和热循环次数对Cu-石蜡导热系数的影响。当纳米Cu颗粒含量为1.2 wt%时,液体的导热系数比纯石蜡提高了14.3%,固态提高了10%。100次循环后,材料的导热系数值仍较稳定。传统计算两相混合物导热系数的理论模型已不能真实反映纳米复合蓄热材料的能量传递过程,本文尝试用晶格振动、界面热阻、布朗运动和纳米颗粒有效团聚等理论从微观上初步探讨纳米复合蓄热材料的强化导热机理。4、Cu-石蜡相变传热的实验研究。采用温度-时间曲线法研究不同浓度纳米复合蓄热材料的蓄、放热曲线,采用红外摄像仪对其熔化和凝固过程的温度场分布进行实时观察,并针对Cu-石蜡体系设计了一套储能式热泵热水器实验台。温度-时间曲线法研究结果表明,在石蜡中加入纳米Cu粒子后,相变材料的蓄、放热速率得到显著提高,且随着纳米Cu质量分数增加而增加。纳米Cu质量分数为1%时,相变材料的熔化和凝固速率分别提高30%和28.2%。温度场分布结果显示,纳米颗粒的添加提高了相变材料的导温系数,且扩散速率随颗粒浓度升高而加快;Cu-石蜡在熔化与凝固过程中存在明显的两相糊状区。储能式热泵热水器运行结果说明以Cu-石蜡作为热泵热水器的储热材料是可行的,储能式热泵热水器系统在运行过程中具有很好的稳定性。5、Cu-石蜡相变传热数值模拟。采用Fluent软件对相变材料熔化和凝固过程的相变传热进行模拟。在熔化过程的模拟中,同时考虑液相自然对流、熔化过程的体积膨胀、固相在液相中的下沉、紧密的接触熔化等情况。模拟结果证明,纳米粒子的添加提高了石蜡的熔化和凝固速率,Cu-石蜡熔化过程以自然对流为主、凝固过程以热传导为主的传热方式。由于相变材料固态密度大于液态,固态PCMs的下沉导致在熔化过程中发生了“紧密接触熔化”,造成在液-固相界面上存在较强的自然对流,从而使熔化速率大于凝固速率。从成核作用、导热系数提高热量输出速率以及导温系数三个方面分析纳米颗粒对相变材料熔化和凝固速率的影响。本论文通过在有机相变材料石蜡中添加Cu纳米粒子的方法,有效地提高了石蜡的导热性能及其蓄、放热相变传热速率。该研究不仅为研制新型复合相变蓄热材料提供一条新途径,而且为储能式热泵热水器的开发提供了必要的实验依据和理论支持。