金属相变储热基础与almgzn共晶合金储能性能的研究

《金属相变储热基础与almgzn共晶合金储能性能的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、摘要摘要金属相变储能材料具有储能密度大、热稳定性好、导热系数高、相变时过冷度小和相偏析小等优点，在中高温储能技术应用方面起着重要的作用。A卜Si二元共晶合金作为储热材料已在中高温储热方面获得广泛的开发和利用。但目前，成熟的可供选择的金属相变储热材料不多，对能用于相变储热的多元共晶合金的热物性参数了解也不全面，其储热性能的基础研究也不够深入。这些都妨碍了中高温储能技术大规模工程应用的实现。本文在前期A1-Si二元共晶合金储热性能研究和应用成果的基础上，对AI．Mg．Zn铝基共晶合金的储热性能进行研究，以期为第二

2、代电热相变储能热水装置和系统提供合适的相变材料，使之的相变温度在350"--450℃之间，相变潜热相对较高，高温抗氧化性良好，长期热循环中热性能稳定，能与多数容器材料相容。本文从金属能量结构的角度，分析了金属相变材料储能熔化的微观过程。并基于金属自由电子理论，从相变判据和Virial均功定律出发，分析了简单共晶合金的熔化潜热、熔化熵、熔点及熔化时体积变化Av／v的物理实质和它们之间的关联关系。给出了简单共晶合金的熔化潜热计算式。表明合金的熔化潜热与晶体结构没有直接和密切的联系，仅与合金组元原子的价态、浓度、价

3、电子的分布和熔化时的体积变化Av／v有关，且与△y／y项成正比。合金的熔化熵主要来自组元原子振动振幅的变化。从不可逆过程热力学的角度，分析了电加热金属相变储、释热过程的熵产率，给出了熵产率的表达式。表明相变储释热的过程是一个非平衡态热力学的过程，处于非平衡态热力学的线性区。当任意固定储热系统中的1个或2个热力学力，而使其余的2个或1个热力学力自由浮动时，储、释热过程最终会被调整到一个熵产率最小的状态，处于一个不平衡的定态。根据非平衡态热力学原理给出了相变储、释热过程进行的熵产判据。并分析了其过程的能量效率，基

4、于最小熵产率原理，给出了热效率的表达式。由于抗高温氧化性能良好是中高温储热材料的必须要求。本文在理论研究的基础上，选用铍作为合金化抗高温氧化的元素。以A1．Be中间合金的方式掺入到以纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭为原料熔炼的AI．Mg．Zn共晶合金中，熔炼及掺铍是广东工业大学工学博士学位论文在井式坩埚炉中进行，采用熔剂保护法工艺，使用铸铁坩埚。熔炼出两种共晶成份的合金分别是A1．34．5％Mg．6％Zn、AI．27．5％Mg．14％Zn(质量分数)。由于铍的量很小，常规检测方法难以准确测定，本文以配料成份控制。氧化试

5、验在箱式电阻炉中进行，空气为氧化介质，进行420℃的静态准连续恒温氧化和470℃的循环氧化试验。热稳定性试验采用加速循环试验法，在自制的热循环试验炉上，研究A1．Mg．Zn共晶合金在反复1000次熔化／冷却循环中的熔化温度(Tm)和熔化潜热(／xHm)的变化。储能材料与容器材料的相容性试验采用静态腐蚀试验法，随同热循环试验同时进行。420℃的静态准连续恒温氧化试验和470℃的循环氧化试验结果表明，含铍合金的氧化增重明显低于相同条件下的无铍合金的氧化增重，说明铍能降低该合金氧化物的生长速度。在适当的含铍量(0．

6、01％～0．1％)时，合金表面氧化膜的形成表现为受浓度梯度和电场影响的金属离子和氧离子的扩散过程。在420。C长达200小时氧化后，氧化增重不超过2001．tg／cm2。470℃长达300次的循环氧化试验结果表明，铍能明显改善氧化膜的抗开裂和破裂的能力，且氧化增重平缓连续，没有出现突变，相对增重不超过0．2％。采用扫描电镜(SEM)对合金的表面氧化膜形态进行了观察，然后用X射线衍射仪(XRD)对氧化膜成份进行物相鉴别。加入铍合金化后，氧化物主要由MgO和BeO相组成，表面较为致密。使用X射线能谱分析技术(ED

7、AX)对氧化物的成份元素及含量进行了分析，从分析结果推断含铍合金表面生成由多相组成的复合氧化膜结构。结合热力学分析计算，推论表面氧化物由外向内按照MgO、BeO的优先顺序形成。基于恒温和循环氧化试验的结果，对铍在合金抗高温氧化能力中的作用，提出归于铍的“活性元素效应"(REE)上。根据最新的氧化理论，铍能作为活性元素扩散到氧化物晶粒的边界，堵塞了金属离子向外扩散的通道，从而使氧离子向内扩散成为唯一可能的氧化途径。经DSC测试，A1．34．5％Mg．6％Zn和A1．27．5％Mg．14％Zn合金铸态时的相变温度

8、分别为447．31℃和444．88℃，相变潜热分别为329．1kJ／kg和303．1kJ／kg。1000次加速储放热循环试验后的结果表明，两种合金的相变潜热分别下降1．95％和3．24％；相变温度略有上升，分别上升4．88℃和4．32℃；相变时的过冷度有所增加，均达到8"C；循环前后，两种合金的比热容值在测量的精度内没有变化；导摘要热系数通过测试合金的电导率比较，发现有明显的增大，分别增大4．41％