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相变材料及相变乳状液的热性能

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 1 引言

  近年来,我国城市白天电力能耗逐年增加,而夜间耗电量小且电价便宜,“削峰填谷”是解决这一问题的一种途径。目前,多种蓄冷系统被广泛使用来消减白天耗电量并蓄积冷量。但是,除了冰晶制冰方式(需要专门的动态制冰机)以外,各种固态蓄冰方式(包括冰球)的蒸发温度至少要达到-8 ~ -10℃或者更低,与之配套二次冷媒的温度也必须在-6℃以下,这使得大量蒸发温度在零上的高效冷水空调机组无法,而且蒸发温度越低,制冷系数也越低,电耗就会越大[3].潜热型功能热流体则不然,它的蓄冷温度可以与空调工况吻合得很好,同时蓄积大量冷量。

  潜热型功能热流体是由特制的相变材料微粒(尺寸为μm量级)和单相传热流体水混合构成的一种固液多相流体,分为相变乳状液和微胶囊乳状液[1].相变乳状液将相变材料直接分散在水中形成乳液,其传热性能优于微胶囊乳状液,但是易堵塞管道;微胶囊乳状液是用高分子聚合物包裹相变材料形成微囊,该微囊被分散在水中又形成乳液,由于有聚合物外壳包裹,微胶囊乳状液不易堵塞管道,但传热性能要逊于相变乳状液。潜热型功能热流体的蓄冷密度比较大,材料来源广泛,价格低廉,最独特的地方还在于乳液发生相变前后都能够保持流动状态,这为实现蓄释冷过程中的强化传热创造了条件。借助对流与导热相似理论,我们已经建立了功能热流体管内湍流流动的内热源模型, 并指出了潜热型功能热流体换热强化的物理机制[4-10].

  天津大学赵镇南[11-12]、日本的H. Inaba等[13]对相变材料为十四烷(C14H30,融点5.8℃,潜热229kJ/kg) 的相变乳状液的热物性进行了初步的探索。本文系统的介绍了十四烷为相变材料的相变乳状液的相变性能。尝试了新相变材料“十四烷与十六烷的二元混合物”,测量了其相变温度和潜热,并寻找到温度适宜的相变材料。通过添加乳化剂制备了20wt%新相变材料的乳状液,测量了相变乳状液的相变温度和潜热。

  2 以十四烷为相变材料的相变乳状液

  相变材料十四烷C14H30:购自辽宁省抚顺市抚顺化工厂。

  2.1 相变材料十四烷的相变温度与相变热的确定

  2.1.1 DSC测量方法

  用DSC2910示差扫描量热仪测定热特性,用高纯标准样品校准温度及热焓,高纯氮气保护,氮气流量为50mL/min,试样量为1~3mg,扫描温度范围为-30 OC~ 30 OC.测量时先从30 OC降温至-30 OC,再重新升温至30 OC,十四烷质量为1.800mg, 加热和冷却速率为5OC/min,升降温过程融解热基本相同,降温过程为207.61J/g,升温过程为192.62J/g,接近理论潜热229J/g.但升降温过程相变温度有显著差异,十四烷的融点为5.39 OC,比较接近理论值5.8 OC,而降温过程则由于DSC测样量过少(仅为1.800mg),发生了明显的过冷,凝固点仅为1.68 OC.

  2.1.2 参比温度法原理及测量结果

  根据参比温度法原理[2],自行搭建了实验台,测量了相变材料降温过程的凝固点。

  测试装置如图1所示。热针指铜-康铜型热电偶(直径0.5mm),沿中心轴线方向放在针状套管中,测温精度±0.3℃。热针与HP34970A数据采集仪连接,通过PC机来记录相变材料的温度变化。相变材料和水分别放在相同规格的试管(试管的半径为6mm,管长为10.5cm)内,它们在试管中的Bi数(Bi=hR/2k,R为试管半径,k为相变材料的导热系数,h为试管外空气的自然对流换热系数)均小于0.1,故可认为试管内液体温度是均匀一致的,其传热分析可采用集总热容法。

  测量时,先将装有液体PCM、水、空气的试管放入恒温箱(或冰箱)中,恒温箱初始温度To>Tm(相变材料的相变温度),温度达到To后,调节恒温箱的温度,使其以1℃/min的速度降至0℃左右。PCM在降温过程中发生凝固,凝固温度记录在HP数据采集仪中。

  选用合适的十四烷与十六烷的混合物作为相变材料,可以将相变乳状液的温度控制在空调冷冻水工况7℃~12℃之间,从而改善了相变乳状液的热性能。

发布:2007-07-28 13:31    编辑:泛普软件 · xiaona    [打印此页]    [关闭]
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