一种新型高温复合相变蓄热材料的制备pdf

第31卷第5期2006年10月 昆明理工大学学报(理工版)Journal of Kun m ing University of Science and Technol ogy (Science and Technol ogy )Vol .31　No .5　Oct .2006
收稿日期:2005-09-09.基金项目:云南省自然科学基金重点项目(项目编号:2002C0003Z ).
第一作者简介:张兴雪(1979～),女,在读硕士生.主要研究方向:新型能源材料.
一种新型高温复合相变蓄热材料的制备
张兴雪,王华,王胜林,张翅远
(昆明理工大学电力工程学院,云南昆明650051)
摘要:采用粉末烧结工艺将相变材料Na 2CO 3和基体材料Mg O 进行复合,制成一种新型高温复合相变蓄热材料.通过XRD 和TG ∃DT A 分析,结果表明:由Na 2CO 3/Mg O 构成的复合相变蓄热材料具有良好的化学相容性,在845℃时出现吸热峰.通过对其蓄热密度的计算可知:制备成的蓄热材料具有蓄热密度高的特点,能够实现高温蓄热.
关键词:相变材料;高温蓄热;潜热蓄热
中图分类号:TK02文献标识码:A 文章编号:1007-855X (2006)05-0017-03
Prepara ti on of a New Com posite La ten t Therma l
Energy Storage M a ter i a l a t H i gh Te m pera tures
ZHAN G Xi ng 2xue ,W AN G Hua,W AN G She ng 2li n,ZHAN G Ch i 2yuan
(Faculty of Electric Po wer Engineering,Kun ming University of Science and Technol ogy,Kun ming 650051,China )
Abstract:A ne w type of high te mperature phase change material was obtained thr ough the powder sintering method,compounding Mg O as matrix and Na 2CO 3as phase change material .XRD analysis sho ws that the mate 2rial has g ood che m ical compatibility and TG -DT A analysis shows that an endother m ic peak arises at 845℃.Calculati ons indicate that the composite PC M is characterized by high ther mal energy st orage density and heat st orage at high te mperatures .
Key words:phase change material (PC M );heat st orage at high te mperatures;latent -heat ther mal st orage 0引言
常用的高温蓄热材料可分为显热式和潜热式.显热式高温蓄热材料具有性能稳定、价格便宜等优点,但其蓄热密度低,蓄热装置体积庞大;潜热式高温蓄热材料虽然存在着高温腐蚀、价格较高等问题,但因其蓄热密度高,蓄热装置结构紧凑,而且吸—放热过程近似等温,易于运行控制和管理,因而引起人们极大的关注[1].
在高温蓄热方面,其核心为高温蓄热介质的选择.潜热蓄热介质主要有无机盐和金属等,其中在无机盐潜热蓄热介质中以碱金属碳酸盐的效果最好,它们在温度范围、蓄热密度以及稳定性等方面都比较适宜,价格也比较低廉[2].选用Na 2CO 3与Mg O 制备相变蓄热材料,采用直接接触换热方式,不需要换热器,能减少蓄热材料用量和缩小容器尺寸,因而可以较大幅度提高蓄热系统的经济性.同时这种高温复合相变蓄热材料对提高能源利用率和开发新能源都具有重要的意义.
1实验
1.1原料的选择
无机盐/陶瓷基复合相变蓄热材料,在结构上是把相变材料和陶瓷基体材料纯机械性地复合在一起,相变材料的熔化和凝固过程是在陶瓷基体材料中进行,所以对相变材料和陶瓷材料的选择相当苛刻.首先保证二者在高温下有良好的化学相容性和化学稳定性;二是熔融盐与陶瓷体间要有较好的润湿特性;三是
相变材料有较高的相变潜热和熔融盐在空气中有较低的蒸气压
[3].经过分析和试验,我们选用无水碳酸
钠为相变材料,氧化镁为陶瓷基体材料.
1.2实验材料和仪器分析纯无水碳酸钠(Na 2CO 3),分析纯氧化镁(Mg O ),粉
末压片机,玛瑙乳钵,箱式电阻炉,恒温干燥箱等.
1.3制备工艺
首先将Na 2CO 3和Mg O 按质量比分别为1∶9,2∶8,3∶7和
4∶6称取,且放在玛瑙乳钵中进行研磨并使其混合均匀.然后
利用粉末压片机和模具压制成型为Φ20±4mm 圆柱形样品,
成型压力(表压)为4～9MPa,成型时间10～15m in .其工艺流
程如图1所示.
2实验结果与分析
2.1无机盐与陶瓷体的化学相容性分析
X -ray 衍射分析(XRD )是利用X 衍射方法,对样品中由
各种元素形成的具有固定结构的化合物进行定性和定量分
析.在实验中对这种新型高温复合相变蓄热材料选择的好与
坏,可用X -ray 衍射分析(XRD )来判断,主要看其烧结后的样品中成分是否相互发生化学反应,这对研究蓄热材料来说是一个重要的方面.
样品烧结到1000℃时保温1h 且随炉冷却后,进行X -ray 衍射分析(XRD ),如图2.通过物相分析,发现除了Mg O 和Na 2CO 3外,并无其它新相生成,说明高温下Mg O 和Na 2CO 3在界面上不发生化学反应,二者具有良好的化学相容性和化学稳定性,所以选择这两种材料制备相变蓄热材料合理可行
.
2.2TG ∃D TA 分析
为了更进一步分析其是否具有蓄热能力,我们对烧结后的样品进行TG ∃DT A 检测,如图3.从图3中可以看出,845℃时蓄热材料发生相变.由图3的TG 曲线,可以看出复合相变蓄热材料在845℃之后有部分失重,其数据为0.4%,因为这时相变材料Na 2CO 3发生相变,所以其中有碳酸盐的挥发.同时由图3的DT A 曲线,也可以看出复合相变蓄热材料在845℃有明显的吸热峰出现.
2.3蓄热密度和相变潜热
单位质量蓄热密度是衡量复合相变蓄热材料蓄热能力的重要参数,蓄热密度越大,蓄热能力越强,因此研究其蓄热材料的蓄热密度是非常重要的.复合相变蓄热材料的单位质量蓄热密度计算公式
[4]:Q =∫T s 0C SS d T +M R (∫T sf 0C M S d T +ΔH M f +∫T s T sf C ML d T -∫T s 0C SS
d T )(1)
81昆明理工大学学报(理工版) 第31卷
式中:T S —最终指定温度,K ;T Sf —潜热蓄热材料相变时的
熔点,K ;C SS —固体显热蓄热材料的比热容,kJ /(K ・kg );
C MS —潜热蓄热材料固相时的比热容,kJ /(K ・kg );C ML —潜热
蓄热材料液相时的比热容,kJ /(K ・kg );M R —复合蓄热材料中
熔融盐材料(PC M )的质量分数,%;ΔH M f —潜热蓄热材料相变
时的潜热,kJ /kg;Q —复合蓄热材料的单位质量蓄热密度,kJ /
kg .从式(1)可以看出,复合相变蓄热材料的蓄热密度取决于潜
热和比热容的大小,高的潜热和大的比热容可提高复合相变蓄
热材料的蓄热量.
利用式(1)计算Na 2CO 3/Mg O 这种复合相变蓄热材料
(蓄热材料中Na 2CO 3和Mg O 的质量比为3∶7)的蓄热密度,
同时与纯Mg O 的蓄热密度进行比较,如图4.从图4中可以看出:Na 2CO 3/Mg O 这种复合相变蓄热材料在Na 2CO 3熔点以上的一定温度范围内使用具有较高的蓄热密度,而在熔融盐Na 2CO 3熔点以下其蓄热密度与纯Mg O 的蓄热密度差别不是很大.
对于Na 2CO 3/Mg O 这种复合相变蓄热材料来说,陶瓷材料和熔融盐相变材料的复合过程是纯机械性的融合复合过程,两者在复合过程中及使用过程中不发生化学反应.故复合相变蓄热材料的相变潜热可用下式计算:
△H =W R 3△H R
[5](2)其中:△H —复合相变蓄热材料潜热值;W R —Na 2CO 3质量分数;△H R —纯Na 2CO 3潜热值(纯碳酸钠潜热值为275.7kJ /kg ).从上式(2)可以看出:复合相变蓄热材料的潜热大小与相变无机熔融盐的含量成正比.对于Na 2CO 3,Mg O 和Na 2CO 3/Mg O 这3种材料的主要热物性参数如表1.
表1　Na 2CO 3,M g O 及Na 2CO 3/M g O 的主要热物性参数
Tab .1　M a i n param eters of ther ma l property of Na 2CO 3、M g O and Na 2CO 3/M g O 物质熔化温度/℃潜热值/kJ ・kg -1密度/kg ・m -3Na 2CO 3854[6]
275.7[6]2533[6]Mg O 2800[7]1935.1[8]3580[7]Na 2CO 3/Mg O *84582.712040*有关Na 2CO 3/Mg O 的热物性参数,如熔化温度和密度是由检测分析和实验实测所得,而潜热值是由式(2)计算得出,其中Na 2CO 3和Mg O 的质量比为3∶
7.3结论
使用Na 2CO 3相变材料
与Mg O 基体材料成功地制备高温复合相变蓄热材料.
烧结后的样品通过XRD 检
测,证明Na 2CO 3相变材料
与Mg O 基体材料没有发生化学反应,也就是说明:Na 2CO 3相变材料和Mg O 基体材料的化学相容性和化学稳定性比较好;由TG ∃DT A 分析可知,高温复合相变蓄热材料在Na 2CO 3的熔点附近845℃能够发生相变,从而出现明显的吸热峰.综上所述,制备出的Na 2CO 3/Mg O 高温复合相变蓄热材料具有良好的蓄热能力,且在熔融盐熔点以上的一定范围内使用具有较高的蓄热密度.
参考文献:
[1]王胜林,王华,祁先进,等.高温相变蓄热的研究进展[J ].能源工程,2004(6):6-11.
[2]邹向.储热用高温相变复合材料[J ].新能源,1995,17(12):27-29.
[3]李爱菊,张仁元,柯秀芳.工业炉用Na 2S O 4/Si O 2复合蓄热材料的研究[J ].材料导报,2003,17(11):69-71.
[4]王华,It o Y,Nohira T,等.新型陶瓷与熔融盐复合蓄热材料优化组合的数值模拟[J ].中国有色金属学报,2002,12(3):
550-555.
[5]李爱菊,张仁元,柯秀芳,等.Na 2S O 4/Si O 2定形复合储热材料的性能研究[J ].材料开发与应用,2003,18(6):21-23.
[6]Pilkingt on S I .Survey of ther mal st orage f or parabolic tr ough power p lants[R ].Report N RE L1EC24,2002.
[7]贾成厂.陶瓷基复合材料导论[M ].2版.北京:冶金工业出版社,2002:50.
[8]叶大伦,胡建华.实用无机物热力学数据手册[M ].2版.北京:冶金工业出版社,2002:562.9
1第5期 张兴雪,王华,王胜林,等:一种新型高温复合相变蓄热材料的制备。