NaOH_KOH二元体系蓄热性能的研究

第36卷　第11期2002年11月

西　安　交　通　大　学　学　报

JOURNAL OF XI′AN J IAO TON G UN IV ERSITY

Vol.36　№11

Nov.2002

文章编号:0253-987X(2002)11-1133-05

N aO H/K O H二元体系蓄热性能的研究

庄正宁,曹　念,李江荣

(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)

摘要:对NaOH/KOH二元体系蓄热性能进行实验研究,分析了相变材料(PCM)的熔解和凝固等现象,获得了二元体系组成对相变点的影响曲线图,计算了PCM的固-固相变潜热和分别处于液相、混相和固相状态时的导热系数.实验表明,二元体系的相变包括固-液相变和固-固相变,这两部分的相变潜热值较大;相变过程中会有空穴的产生和不凝气体的存在;NaOH/KOH二元体系导热系数的实验值小于理论值,这在实际工程中应加以考虑.

关键词:二元体系;相变材料;潜热蓄热

中图分类号:T K124　文献标识码:A

Experimental Study on Energy Savings of N aOH/K OH Binary System

Zhuang Zhengni ng,Cao N ian,L i Jiangrong

(School of Energy and Power Engineering,Xi′an Jiaotong University,Xi′an710049,China)

Abstract:The performance of energy saving is studied for a NaOH/KOHbinary system.The phenomena of liquate and solidification are analyzed for the phase2change materials(PCM),and a phase diagram of the binary system is obtained.The latent heat of solid2solid phase change and thermal conductivities of solid,liquid and phase change state are calculated repectively for the PCM.It is found that the binary system phase change includes solid2liquid phase change and solid2solid phase change, where there is greater amount of latent heat.The experimental value of thermal conductivity is less than the analytial value.

K eyw ords:bi nary system;phase2change m aterials;latent heat storage

潜热蓄热是储存热能的方法中最有前途的一种方式.潜热蓄热利用物质的转移(即固-固相变,以下的转移点即固-固相变温度)和熔解现象,以潜热的形式储存热能.通常,转移和熔解是在定温下发生的,其吸收或放出的潜热较多.因此,潜热蓄热可以在结构比较紧凑的条件下储存热量,并且在定温下放出热量,对于工程中热量储存的温度控制和减小蓄热器的占用体积等非常有利.

物质的熔解是晶态的变化,而物质的转移则是一种晶格变化.晶态变化指相之间的转换,比如这里的熔解为固相转变为液相.晶格变化是在物质的相不发生变化的情况下,不同晶体结构之间的转换.不论是晶态变化还是晶格变化,只要满足温度的条件,晶体的化学键就发生破裂、变形或者重新组合,这个过程需要不断的吸收和放出热量来完成.

根据蓄热介质的相变温度,相变蓄热又分为低

收稿日期:2002-03-10.　作者简介:庄正宁(1952～),男,教授.

温范围(小于100℃)、中温范围(100～250℃

)以及高温范围(大于250℃)3种.国、内外对相变蓄热做

了相当多的研究[1～4],如对铵矾与硝酸铵的混合盐进行物性测定,不同型式相变蓄热器储热性能的实验研究以及相关的数值模型计算.研究选用的蓄热

材料主要集中于低温蓄热材料,中温蓄热材料则极少使用.在实际工程中,中温范围的蓄热应用有很大的发展空间,可以用于发电或各种产业的热源,以及热负荷的调节等.

1　实验装置及实验方法

如图1所示,实验装置主要由加热系统、相变蓄热换热系统、冷却系统和测温系统四部分组成

.

图1　实验装置示意图

在实验中,将NaOH (分析纯)和KOH (分析纯)以不同的摩尔比均匀混合,配制成所需的蓄热材料.摩尔比为1∶1的混合盐的主要热物性参数[5]分别是:熔点t f =190℃,固-液相变潜热H f =231kJ /kg ,密度ρ=2108×103kg/m 3,比热容c p =11308kJ /(kg ・℃

).将NaOH/KOH 混合盐作为蓄热介质按比例混合均匀后装入蓄热套管的外管中,并将介质密封.实验段内管直径为01009m ,长为0131m ,外管直径为0106m ,长为01218m .考虑到相变材料(PCM )的腐蚀性,实验段选用不锈钢管.在蓄热时,用经过保温的筒状电炉罩住实验段进行加热.在放热时,用另一筒状绝热材料装置置换电炉对实验段进行保温,冷空气通过蓄热套筒内管,混合盐温度降低,冷空气被加热.在保温层的外表面均匀布置有温度测点,每隔20min 记录一次温度数据,以此为基础可以计算出

各时间段的表面散热量,并由壁温测点推算出加热阶段结束时电炉炉体的蓄热量.

作为加热源的电炉用调压器控制其输出功率,管内的空气流量使用玻璃转子流量计测量.管壁与

NaOH/KOH 混合物的温度用镍铬-镍硅热电偶测

量,所测信号经采集板采集、转化并传送给计算机存储(实验中温度信号的存储从实验段开始升温起计).实验中温度测点的布置如图2所示.相邻两测点的径向距离为01006m ,轴向距离为0104m .本文的实验范围为:加热功率P =8316～44116W ;空气流量G =114～312m 3/h

.

1、4、7、8:轴向等径测点;2～7径向等高测点;9～12:壁面温

度测点;13、14:空气温度测点;15:底端温度测点

图2　热电偶测点布置图

2　实验结果及分析

2.1　二元体系的凝固过程

PCM 经历了加热和放热两个过程.这里对PCM 冷却过程进行分析.

图3、图4是NaOH/KOH 摩尔比分别为1∶4和

1∶1的二元体系冷却过程中温度随时间变化的曲线.由图可以看出,NaOH/KOH 二元体系的放热过程包括固-液相变和两次固-固相变过程.虽然材料的熔解热大于二级转变热,但固-液相变与二级固-固相变相比,前者经历的时间更短.因为材料在高温阶段和低温阶段与空气的传热温差相差很大,固-液相变时传热温差大,材料的放热速率加快,则经历时间短,而固-固相变时由于传热温差减小,放热速率较低,经历的时间长.另外,两个固-固相变过程相比,一级固-固相变没有二级固-固相变持续的时间长.在实验过程中,加快材料的放热速率,一级固-固相变过程就会从曲线中消失.一级固-固相变过程属于固体材料的结构相变中的位移式相变,这种相变方式不需要破坏化学键,相变位垒低、速度快.二级固-固相变属于结构相变中的重建式相变,这种相变要引起化学键的破坏而重建新的结构[6].因此,相比之下,一级固-固相变的转变热很小,在KOH 的含量超过一半时其转移温度规律不强(见表1).这表明当NaOH/KOH 混合物温度处于

4311西　安　交　通　大　学　学　报第36卷