几种蓄热材料的导热性能与抗压强度模拟计算

0 引 言

采用蓄热系统的太阳能光热发电可有效克服太阳能光伏发电的电力不稳定现象[1]，日光充足时,蓄热系统能将多余的热能存储起来,日光辐射不足或夜间无光时,则会释放出存储的热能以产生蒸汽来发电。太阳能光热发电还能通过蓄热系统在电力需求低谷时,将多余的热能存储起来,在用电高峰时,又利用储存的热能发电,达到电网的“削峰填谷”[2]。太阳能光热发电的研究重心是性能稳定的蓄热系统以及高效低成本的蓄热材料。蓄热材料要具备以下特点:可逆性好、可操作性强、储能密度高、导热系数高等。高温蓄热混凝土、熔融盐和相变金属是目前国内外比较常见的蓄热材料[3]。

于秀艳[4]通过对两种不同蓄热材料——蜂窝陶瓷和陶瓷球的阻力特性和换热特性的详细计算、对比和分析,从理论上论证了蜂窝陶瓷相对于陶瓷球能够在更短的时间内完成蓄热和放热,蜂窝陶瓷式蓄热器的阻力更小,宜选用蜂窝陶瓷作为其蓄热材料。吕林女等[5]通过对蓄热混凝土的抗压强度、导热系数、高温开裂性能的测试,发现磨细矿渣粉和石墨集料掺入混凝土可有效提高混凝土的耐热性能及导热系数。吴建锋等[6]利用熔融浸渗工艺成功将相变材料NaCl与SiC泡沫陶瓷复合,制备了SiC/NaCl高温复合相变蓄热材料,并对高温复合相变蓄热材料进行了XRD、SEM、TG-DTA测试分析,结果表明该复合蓄热材料的相变潜热为157.9 kJ/kg,蓄热密度为293.9 kJ/kg,热膨胀系数6.1×10-6/℃(室温～900 ℃),热导率为5.6 W/(m·K)(720～820 ℃),比定压热容为1.26 kJ/(kg·K)(720～820 ℃),可以应用于高温蓄热。YUAN等[7]利用自动压力测试机、热导率常数测试仪和热膨胀系数仪测量了一种水泥复合水石墨的太阳能蓄热材料的抗压强度、导热系数和热膨胀系数,得到了这种复合蓄热材料中的石墨含量对其机械性能和热性能的影响规律:抗压强度随着石墨的添加而降低,导热系数和容积热容随着石墨的添加而增加。随着石墨含量的调整,复合水泥浆料的容积热容和热膨胀系数性能有希望成为基体材料。

ANSYS是一款国际通用的融合热、结构、声学、流体、电磁分析于一体的大型通用有限元分析软件,具有兼容性好、功能强大、使用方便、工作效率高、计算速度快等优点[8]。本文中主要通过ANSYS来模拟计算五种蓄热材料(结构钢、混凝土、铝合金、铜合金和灰口铸铁)在不同形状、不同尺寸、300 ℃水的环境下的热通量和抗压强度。

1 模拟工况

本次模拟的蓄热材料主要选取自ANSYS材料库里的结构钢、混凝土、铝合金、铜合金和灰口铸铁。本文中选取三种不同的形状:圆饼状、方片状及球状(见图1)进行测量,在不同的形状下选取了五种不同的尺寸(见表1)。太阳能光热蓄热材料在储热罐内,主要通过与周围的导热油或空气的换热进行存储与释放热能,因此在本次模拟中将蓄热材料的周围环境设置为300 ℃的水。

  

图1 蓄热材料形状

 

表1 各模拟工况 mm

  

形状尺寸圆饼状厚度：2直径：8厚度：2直径：9厚度：2直径：10厚度：2直径：11厚度：2直径：12方片状厚度：2边长：8厚度：2边长：9厚度：2边长：10厚度：2边长：11厚度：2边长：12球状直径：8直径：9直径：10直径：11直径：12

2 蓄热材料的导热性能分析

在模拟计算蓄热材料的机械性能之前,本文中先进行了相应蓄热材料的导热性能计算,导热性能和机械性能是研究蓄热材料的两大性能指标。再模拟测试出蓄热材料的热通量大小,以区分不同材料、不同形状、不同尺寸的蓄热材料的导热性。热通量的大小为单位时间流过单位面积的热量数值,热通量越大,说明蓄热材料导热的速度越快,导热性能越好。

2.1 不同尺寸蓄热材料的导热性

圆饼状不同尺寸的蓄热材料热通量的模拟结果如图2所示。结构钢的热通量先是随着圆饼直径的增大而增大,直径在10 mm时达到最大值1.82×10-11 W/mm2,之后反而随着直径的增大而减小。其他四种材料的变化规律与此一致。因此,圆饼状蓄热材料在直径取10 mm时导热性能最好。

相对来说，一个好的文章，要有一个完整的结构，因此，一个文章是否能够吸引人，它的结构是非常重要的。它可以是学生自己所想的，也可以是学生在网上借鉴的，后期进行修改。大力提供阅读一些好的文章来用以借鉴，并为自己所用，这样学生的文章才能显得更加巧妙、充实与丰满，学生的写作水平才能够得到有效提升。

参考文献：

  

图2 圆饼状不同尺寸蓄热材料的热通量

方片状不同尺寸的蓄热材料热通量的模拟结果如图3所示。铜合金在方片边长为8 mm时热通量达最大值7.78×10-11 W/mm2,之后随着边长的增大而减小,12 mm时为5.65×10-11 W/mm2。其他四种材料变化规律与此一致。因此,方片状蓄热材料的导热性能随着边长的增大而减小。

  

图3 方片状不同尺寸蓄热材料的热通量

球状不同尺寸的蓄热材料热通量的模拟结果如图4所示。由图4可知,铜合金在球直径为8 mm时热通量达最大值6.36×10-12 W/mm2,之后随着直径的增大而减小,12 mm时为3.18×10-12 W/mm2。其他四种材料变化规律与此一致。因此,球状蓄热材料的导热性能随着直径的增大而减小。

  

图4 球状不同尺寸蓄热材料的热通量

2.2 不同材质、不同形状蓄热材料的导热性

  

图5 不同材质、形状蓄热材料的热通量

不同材料、不同形状的蓄热材料热通量的模拟结果见图5,其中圆饼状、方片状、球状的尺寸分别为厚度2 mm、直径10 mm，厚度2 mm、长宽10 mm，直径10 mm。由图5可知,对比圆饼状的五种蓄热材料,发现铜合金的热通量最大,为1.20×10-10 W/mm2,接下来依次为铝合金5.26×10-11 W/mm2、结构钢1.82×10-11 W/mm2、灰口铸铁1.59×10-11 W/mm2、混凝土9.57×10-13 W/mm2。方片状、球状的热通量随蓄热材料种类的变化规律与圆饼状一致。可见,在这五种蓄热材料中,铜合金的导热性能最好,接下来是铝合金,其次为结构钢与灰口铸铁,混凝土的导热性能最差。结构钢在圆饼状时的热通量最大,为1.82×10-11 W/mm2,其次是方片状，为9.54×10-12 W/mm2,热通量最小的是球状，为1.32×10-12 W/mm2。其他四种材料热通量随形状的变化规律与结构钢一致。可见,三种不同的形状在五种蓄热材料上都表现出以下规律：圆饼状的导热性能最优,接下来为方片状,其次是球状。

3 蓄热材料机械性能的分析

雾是由近似为球形的雾滴粒子组成，半径通常在1～60 μm之间.由于雾的粒子半径不全部相同，雾的消光特性是粒子群中全部粒子消光效果的叠加.因此在研究雾滴粒子的光散射问题时，特别是针对平流雾和辐射雾这两种雾介质，采用基于Mie散射理论的多粒子散射研究方法，可以得到比较可靠的结果.

3.1 不同尺寸蓄热材料的抗压强度

不同材质、不同形状蓄热材料的抗压强度的模拟结果如图9所示,其中圆饼状、方片状、球状的尺寸分别为厚度2 mm、直径10 mm,厚度2 mm、长宽10 mm,直径10 mm。由图9可知,对比圆饼状的五种蓄热材料,灰口铸铁的抗压强度最大,为45.08 MPa,接下来依次为结构钢41.29 MPa、混凝土35.56 MPa、铜合金27.50 MPa、铝合金21.56 MPa。方片状、球状的热通量随蓄热材料种类的变化规律与圆饼状一致。在这五种蓄热材料中灰口铸铁的抗压强度最高,接下来是结构钢,其次为混凝土与铜合金,铝合金的抗压强度最低。结构钢在球状时的抗压强度最大,为63.01 MPa,其次是圆饼状，为41.29 MPa,抗压强度最小的是方片状，为29.33 MPa。其他四种材料热通量随形状的变化规律与此一致。可见,三种不同形状在五种蓄热材料上都表现出球状的抗压强度最高,其次为圆饼状,最后是方片状。

3.3.2 氧化 H2O2通过促进半胱氨酸(cysteine，Cys)124和Cys71残基形成二硫键氧化PTEN，通过改变构象使其丧失抑制PIP3和Akt磷酸化的作用，导致癌细胞过度增殖，最终引发癌症。硫醇化合物(如硫氧还蛋白)氧化PTEN的途径是可逆的，因此可通过PTEN与过氧化物酶1的相互作用防止Cys124和Cys71之间形成二硫键。

  

图6 圆饼状不同尺寸蓄热材料的抗压强度

[4] 于秀艳.太阳能热发电蓄热材料的选择计算[J].华电技术,2012,34(7):72-77.

  

图7 方片状不同尺寸蓄热材料的抗压强度

球状不同尺寸的蓄热材料抗压强度的模拟结果如图8所示。由图8可知,灰口铸铁的抗压强度随着球直径的增加依次为70.48、68.01、67.29、66.3、66.17 MPa,抗压强度随着直径的增加而减小。其他四种材料变化规律与此一致。因此,球状蓄热材料的抗压强度随着直径的增加而逐渐减小。

(1)五种蓄热材料的导热性能由高到低依次为铜合金、铝合金、结构钢、灰口铸铁、混凝土,三种形状的蓄热材料导热性能由高到低依次为圆饼状、方片状、球状,圆饼状蓄热材料的导热性能在直径为10 mm时达到最大值,方片状和球状的导热性能随着尺寸的增大而逐渐减小。

  

图8 球状不同尺寸蓄热材料的抗压强度

3.2 不同材质、不同形状蓄热材料的抗压强度

圆饼状不同尺寸的蓄热材料抗压强度的模拟结果如图6所示。可以看出,灰口铸铁的抗压强度随着圆饼直径的增加依次为46.13、45.24、45.08、44.74、44.50 MPa,抗压强度随着直径的增加而减小。其他四种材料变化规律与此一致。因此,圆饼状蓄热材料的抗压强度随着直径的增加而逐渐减小。

  

图9 不同材质、不同形状蓄热材料的抗压强度

4 结 论

从各国大型仪器设备管理的实践可以看出，采购阶段是避免重复采购的关键环节。科学严谨的申请审批过程，是大型仪器设备产出更多科研成果的前提，也是推动开放共享的基础。但是，我国在购买大型仪器设备时，仍存在盲目上马、缺乏长期规划的普遍现象。论证过程粗糙，缺乏全局统筹规划，审核审批不严谨，特别缺少大型仪器设备集群建设的意识。这严重制约我国大型仪器设备开放共享的有效性。

材料在载荷作用下抵抗破坏的性能,称为机械性能(或称为力学性能)。机械性能的好坏,决定了材料的使用范围与使用寿命,材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据,外加载荷性质不同(例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等),对材料要求的机械性能也将不同[9]。由于太阳能光热发电蓄热材料在蓄热罐内，周围主要为高温高压的空气或导热油,因此对蓄热材料在高温条件下的抗压强度有一定的要求,本文中用ANSYS来模拟测试各种蓄热材料在高温下的抗压强度。

(2)五种蓄热材料的抗压强度由高到低依次为灰口铸铁、结构钢、混凝土、铜合金、铝合金,三种形状的蓄热材料抗压强度由高到低依次为球状、圆饼状、方片状,三种形状的蓄热材料的抗压强度基本都随着尺寸的增大而缓慢地减小。

本病也称副溶血嗜血杆菌病或胸膜肺炎（嗜血杆菌）放线杆菌病，是猪的一种呼吸道传染病，急性死亡率高，慢性者常能耐过。革兰氏染色阴性，人工接触传染潜伏期为1～7 d或更久。各种年龄的猪对本病均易感，但因初乳中母源抗体的存在，最常发生于育成猪和成年猪，急性死亡率很高，发病率、死亡率与毒力及环境因素有关，还与其他疾病的存在有关，如伪狂犬病及PRRS。另外，转群频繁的大猪群比单独饲养的小猪群更易发病。

以上结论可以为太阳能光热发电设计时蓄热材料的选择提供参考。

他问她，家在哪里。她说，没有。在伦敦或者中国都没有家。她一直住在学校宿舍，也租过短期公寓。她受别人照顾，目前已没有亲人存在于世。

[1] 袁炜东.国内外太阳能光热发电发展现状及前景[J].电力与能源,2015,36(4):487-490.

[2] 何百灵.太阳能热电站用混凝土储热材料的制备与性能[D].武汉:武汉理工大学,2012.

[3] 王 辉.太阳能光热发电系统中储热材料研究进展[J].科技信息,2013(3):399-400.

方片状不同尺寸的蓄热材料抗压强度的模拟结果如图7所示。由图7可知,灰口铸铁的抗压强度随着方片边长的增加依次为32.48、32.18、32.03、31.89、31.69 MPa,抗压强度随着边长的增加而减小。其他四种材料变化规律与此一致。因此,方片状蓄热材料的抗压强度随着边长的增加而逐渐减小。

用棉签蘸一下耳道内粘稠物，涂抹于载玻片上，盖上盖玻片，在显微镜下观察。在显微镜下可观察到螨虫 （图2），该载玻片置于室内数日，视野内的虫体仍然活动。

[5] 吕林女,吴 锡,何永佳,等.太阳能光热发电系统蓄热混凝土的制备与性能[J].武汉理工大学学报,2014,36(11):1-5.

[6] 吴建锋,李 剑,徐晓虹,等.NaCl/SiC泡沫陶瓷高温复合相变蓄热材料[J].武汉理工大学学报,2009,31(17):70-73.

[7] YUAN H W, LU C H, XU Z Z, et al. Mechanical and thermal properties of cement composite graphite for solar thermal storage materials [J]. Solar Energy,2012,86(11):3227-3233.

[8] 赵恒华,高兴军.ANSYS软件及其使用[J].制造业自动化,2004,26(5):20-23.

[9] 崔昌焕.浅谈金属材料的发展[J].黑龙江科技信息,2004(28):18.

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