美國田納西大學(xué)在膠囊化相變儲(chǔ)熱材料方面取得新進(jìn)展
文章信息
技術(shù)領(lǐng)域：膠囊化相變儲(chǔ)熱材料
開發(fā)單位：美國田納西大學(xué) Hongyu Zhou
技術(shù)突破：開發(fā)了一種新型微膠囊化相變材料——CenoPCM，研究表明，該材料具有較好的力學(xué)性能和較高的導(dǎo)熱系數(shù)，且成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他微膠囊相變材料。
文章名稱：Adam L. Brooks, Hongyu Zhou. Enabling high-strength cement-based materials for thermal energy storage via fly-ash cenosphere encapsulated phase change materials. Cement and Concrete Composites, 2021.
應(yīng)用價(jià)值：CenoPCM在水泥基材料的開發(fā)方面具有巨大的潛力。
相變材料(PCM)在水泥基材料中的應(yīng)用為大規(guī)模蓄熱開辟了道路。同時(shí)，人們針對(duì)相變材料的膠囊化也已經(jīng)開展了廣泛的探究和應(yīng)用，使得相變過程中相變材料的體積變化得到控制。微膠囊相變材料易于與傳統(tǒng)建筑材料相結(jié)合，而且可以增強(qiáng)相變材料與周圍材料之間的熱傳導(dǎo)。然而，聚合物微膠囊相變材料在水泥基材料中的傳統(tǒng)應(yīng)用仍存在一些眾所周知的缺點(diǎn)，例如力學(xué)性能不佳，導(dǎo)熱系數(shù)低，成本高等。
來自美國田納西大學(xué)的研究人員探索了一種新的微膠囊化方法，使用粉煤灰空心微珠來封裝PCM，以便在水泥基材料中大規(guī)模應(yīng)用。他們制備了體積分?jǐn)?shù)3%~20vol%的空心微膠囊相變材料(CenoPCM)水泥基復(fù)合材料，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。通過對(duì)比研究，闡明了CenoPCM及對(duì)應(yīng)的聚合物微膠囊對(duì)功能化水泥基材料的力學(xué)性能和熱性能的影響。此外，還建立了基于微觀力學(xué)的模型，來預(yù)測(cè)含有微膠囊相變材料的膠凝材料的性能。由于CenoPCM的力學(xué)性能顯著提高，具有良好的導(dǎo)熱性且成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他微膠囊相變材料，因此在水泥基材料的開發(fā)方面具有巨大的潛力。
圖1 用于微膠囊化的空心粉煤灰微珠(FAC)和微米級(jí)MEPCM的性能: (a) X射線衍射(XRD)；(b) 粒度分布；(c) FAC表面形貌掃描電鏡圖像；(d) FAC的多孔壁結(jié)構(gòu) (e) 微粒團(tuán) (f)單個(gè)顆粒的放大圖
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技術(shù)領(lǐng)域：用于熱控制的膠囊相變儲(chǔ)熱材料
開發(fā)單位：南京工業(yè)大學(xué)，Lei Ni；Juncheng Jiang.
技術(shù)突破：制備了以硅殼作為抑制劑的膠囊化相變材料(PCMs)，可改善反應(yīng)堆的熱能控制從而緩解反應(yīng)熱失控，同時(shí)提出了一種抑制效應(yīng)-動(dòng)力學(xué)模型來模擬熱失控反應(yīng)的抑制過程。
文章名稱：Qiang Chen, Lei Ni, Juncheng Jiang. Modeling of runaway inhibition in batch reactors using encapsulated phase change materials. Renewable Energy, 2021.
應(yīng)用價(jià)值：該研究有助于工程師和安全管理者制定最優(yōu)的熱失控抑制策略，改善緊急情況下能量反應(yīng)的控制。
熱失控是導(dǎo)致工藝安全事故的常見隱患，化學(xué)能量不受控制的釋放給間歇反應(yīng)器帶來了極大的風(fēng)險(xiǎn)。采用以硅殼作為抑制劑的膠囊化相變材料(PCMs)，可改善反應(yīng)堆的熱能控制從而緩解反應(yīng)熱失控。
來自南京工業(yè)大學(xué)的科研人員基于以上思路進(jìn)行PCM制備，具有核殼微觀結(jié)構(gòu)和球形形貌，平均粒徑為980 nm，硅殼厚度為100 nm。他們分別用0.5 g和1 g的膠囊化PCM進(jìn)行了一系列抑制實(shí)驗(yàn)?；谧源呋叫蟹磻?yīng)模型，研究了硫酸催化下丙酸酐與2-丁醇酯化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。同時(shí)提出了一種抑制效應(yīng)-動(dòng)力學(xué)模型來模擬熱失控反應(yīng)的抑制過程。結(jié)果表明，微膠囊復(fù)合相變材料抑制熱失控的機(jī)理是相變材料蓄熱和微膠囊強(qiáng)化流體對(duì)流換熱的綜合作用。在優(yōu)化抑制劑注入策略時(shí)，探究了攪拌速率、膠囊相變材料分散度和熱失控預(yù)警溫度的影響。而絕熱條件下膠囊化復(fù)合相變材料對(duì)熱失控的抑制作用相對(duì)較低。該研究對(duì)反應(yīng)堆的熱能安全設(shè)計(jì)和控制具有重要意義，同時(shí)膠囊化相變儲(chǔ)熱材料的應(yīng)用為抑制熱失控提供了一個(gè)基本的工具。
圖2 (a) 實(shí)驗(yàn)裝置，(b) 抑制實(shí)驗(yàn)過程，(c)膠囊化相變材料漿體
