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1、第1期矿产综合利用No.12004年2月MultipurposeUtilizationofMineralResourcesFeb.2004综合评述碳材料在热能领域中的应用与研究进展邵刚,徐涛,李倩侠,张正国,方晓明(华南理工大学传热强化与节能教育部重点实验室,广东广州510640)摘要:综述了碳材料在强化传热、化学热泵和潜热蓄能等热能领域中的最新应用与研究进展;并介绍了笔者所在研究小组在利用碳材料提高定形相变蓄热材料热力学性能方面的初步研究。关键词:碳材料;强化传热;化学热泵;潜热蓄能中图分类号:TQ342文献标识码:A
2、文章编号:1000-6532(2004)01-0028-05目前,世界上约有2/3的能源是以热能的形式被浪费的,相当部分的热能是作为废热和工业余热未加利用而直接排放到环境中。在热能领域,常用的节能手段有:一是强化热交换过程的传热从而提高热能利用率以减少能耗。如提高导热系数、采用高效换热器等;二是对工业废热和余热进行有效、低成本的回收利用。如采用热泵系统、储热系统等。不断寻求新型的强化传热手段来提高热能利用效率,以节约资源并实现可持续发展,是世界范围内传热强化与节能领域的重点研究课题。碳材料是重要的结构材料和功能材料,广泛
3、应用于冶金、化工、机械、电子、航空等领域。碳材料主要包括碳及其石墨制品、碳纤维及其增强材料、活性炭和炭黑四大类。多数碳材料具有耐热性能优良、高导热系数、良好化学惰性、高电导率等优点。近年来,质轻且导热性好的石墨材料和碳纤维等碳材料在热能领域的应用越来越受到人们的关注和重视。应用于热能领域的石墨材料主要是天然鳞片石墨、石墨泡沫、膨胀石墨和压缩后的膨胀石墨。而碳纤维最初是作为先进复合材料中最重要的增强材料出现的,但目前其用途还在不断扩展,已逐渐应用于体育休闲用品、电子产品、交通工具、基础设施和能源领域。碳纤维根据其生产所用
4、的原丝的不同,分为聚丙烯腈基(PAN)碳纤维、沥青基碳纤维丝和纤维素基碳纤维丝。聚丙烯腈基(PAN)碳纤维的导热系数为10~160W/(m#K),而中间相沥青碳纤维由于石墨结构沿纤维轴高度择优取向,具有极高的导热率,是理想的高导热功能材料。如美国Amoco公司生产的K1100,其轴向导热系数高达1100W/(m#K)。1碳材料在强化传热领域中的应用在工业余热和废热的回收和利用方面,换热器是常见的装置。目前,换热器主要是由具有高导热系数的铝和铜(铝6061的导热系数为180W/(m#K),铜的导热系数为收稿日期:2003-
5、04-29基金项目:广东省科技计划项目和广东省自然科学基金资助项目(批准号000523)作者简介:邵刚(1978-),男,硕士生,主要从事储热材料与技术的研究。第1期邵刚等:碳材料在热能领域中的应用与研究进展#29#400W/(m#K))制成的。然而,因为金属的比重大,当考虑到单位导热系数(即每克物质的导热系数)时,它们就分别只有54W/(m#K)和45W/(m#K)。因此,当换热器需要在一些经常移动的场合使用时,就希望能寻找到一种更轻便的导热材料。从中间相沥青中提取的石墨泡沫具有各向同性,石墨泡沫中的石墨微晶具有非常高
6、的导热系数(约为铜的5倍),并且其主体导热系数也表现出很高的数值。因而,其具有质轻和高导热的特点。Klett和McMillian等[1]依据石墨泡沫的这一特点,以石墨泡沫替代常用的铝和铜制材料,以期获得更大热导率和更轻质量的换热器。研究结果表明:用高导热系数的石墨泡沫材料作为换热器的材质会比采用传统材料的换热器在导热系数上提高10倍。而高导热系数材料可在换热条件相似时大幅降低换热管的数目。因此,在同样的散热速率条件下,应用了石墨泡沫的汽车散热器截面减少了50%。而减小尺寸又会减少换热器的重量、生产成本及系统的总体积,从而
7、提高燃料利用效率。Schou等[2]利用石墨的高热导率和良好化学惰性的特点,设计出新型高热导率的管壳式换热器。在石墨块上钻出圆孔,从而为不同流体提供流动管路。圆孔在石墨块中是以垂直正交方式排列,两股流体分别通过水平向和垂直向的圆孔,在其中利用石墨良好的热导率进行热交换。实验结果表明:在有石墨作为折流板来防止泄漏流的情况下,以水和油作传热流体时,换热器的总的传热效率分别比传统换热器提高了18%和21%。金属氢化物反应器是金属氢化物吸附和蓄存氢气的基本机构单元。通常反应器是由若干反应床构成的。而设计良好的金属氢化物的反应床必
8、须要保证其对氢气良好的质量传递、反应床内部良好的热传递以及反应床与热传导介质间的良好的热传递。但是,金属氢化物的导热系数以及金属氢化物粉末床与外壁之间的热传递效率通常很低。因此,在使用金属氢化物粉末时经常需要应用一些强化传热技术。然而目前出现的强化传热技术,不是效率低,就是成本高,或是难以实现。Sanchez等[3
