相變材料及相變乳狀液的熱性能

2020-12-01 建設工程教育網

　　1 引言

　　近年來，我國城市白天電力能耗逐年增加，而夜間耗電量小且電價便宜，「削峰填谷」是解決這一問題的一種途徑。目前，多種蓄冷系統被廣泛使用來消減白天耗電量並蓄積冷量。但是，除了冰晶製冰方式（需要專門的動態製冰機）以外，各種固態蓄冰方式（包括冰球）的蒸發溫度至少要達到-8 ~ -10℃或者更低，與之配套二次冷媒的溫度也必須在-6℃以下，這使得大量蒸發溫度在零上的高效冷水空調機組無法，而且蒸發溫度越低，製冷係數也越低，電耗就會越大[3].潛熱型功能熱流體則不然，它的蓄冷溫度可以與空調工況吻合得很好，同時蓄積大量冷量。

　　潛熱型功能熱流體是由特製的相變材料微粒（尺寸為μm量級）和單相傳熱流體水混合構成的一種固液多相流體，分為相變乳狀液和微膠囊乳狀液[1].相變乳狀液將相變材料直接分散在水中形成乳液，其傳熱性能優於微膠囊乳狀液，但是易堵塞管道；微膠囊乳狀液是用高分子聚合物包裹相變材料形成微囊，該微囊被分散在水中又形成乳液，由於有聚合物外殼包裹，微膠囊乳狀液不易堵塞管道，但傳熱性能要遜於相變乳狀液。潛熱型功能熱流體的蓄冷密度比較大，材料來源廣泛，價格低廉，最獨特的地方還在於乳液發生相變前後都能夠保持流動狀態，這為實現蓄釋冷過程中的強化傳熱創造了條件。藉助對流與導熱相似理論，我們已經建立了功能熱流體管內湍流流動的內熱源模型, 並指出了潛熱型功能熱流體換熱強化的物理機制[4-10].

　　天津大學趙鎮南[11-12]、日本的H. Inaba等[13]對相變材料為十四烷（C14H30，融點5.8℃，潛熱229kJ/kg） 的相變乳狀液的熱物性進行了初步的探索。本文系統的介紹了十四烷為相變材料的相變乳狀液的相變性能。嘗試了新相變材料「十四烷與十六烷的二元混合物」，測量了其相變溫度和潛熱，並尋找到溫度適宜的相變材料。通過添加乳化劑製備了20wt%新相變材料的乳狀液，測量了相變乳狀液的相變溫度和潛熱。

　　2 以十四烷為相變材料的相變乳狀液

　　相變材料十四烷C14H30：購自遼寧省撫順市撫順化工廠。

　　2.1 相變材料十四烷的相變溫度與相變熱的確定

　　2.1.1 DSC測量方法

　　用DSC2910示差掃描量熱儀測定熱特性，用高純標準樣品校準溫度及熱焓，高純氮氣保護，氮氣流量為50mL/min，試樣量為1～3mg，掃描溫度範圍為-30 OC～ 30 OC.測量時先從30 OC降溫至-30 OC，再重新升溫至30 OC，十四烷質量為1.800mg, 加熱和冷卻速率為5OC/min，升降溫過程融解熱基本相同，降溫過程為207.61J/g，升溫過程為192.62J/g，接近理論潛熱229J/g.但升降溫過程相變溫度有顯著差異，十四烷的融點為5.39 OC,比較接近理論值5.8 OC,而降溫過程則由於DSC測樣量過少（僅為1.800mg），發生了明顯的過冷，凝固點僅為1.68 OC.

　　2.1.2 參比溫度法原理及測量結果

　　根據參比溫度法原理[2]，自行搭建了實驗臺，測量了相變材料降溫過程的凝固點。

　　測試裝置如圖1所示。熱針指銅－康銅型熱電偶（直徑0.5mm），沿中心軸線方向放在針狀套管中,測溫精度±0.3℃。熱針與HP34970A數據採集儀連接，通過PC機來記錄相變材料的溫度變化。相變材料和水分別放在相同規格的試管（試管的半徑為6mm，管長為10.5cm）內，它們在試管中的Bi數（Bi=hR/2k，R為試管半徑，k為相變材料的導熱係數，h為試管外空氣的自然對流換熱係數）均小於0.1，故可認為試管內液體溫度是均勻一致的，其傳熱分析可採用集總熱容法。

　　測量時，先將裝有液體PCM、水、空氣的試管放入恆溫箱（或冰箱）中，恆溫箱初始溫度To>Tm（相變材料的相變溫度），溫度達到To後，調節恆溫箱的溫度，使其以1℃/min的速度降至0℃左右。PCM在降溫過程中發生凝固，凝固溫度記錄在HP數據採集儀中。

　　選用合適的十四烷與十六烷的混合物作為相變材料，可以將相變乳狀液的溫度控制在空調冷凍水工況7℃~12℃之間，從而改善了相變乳狀液的熱性能。

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