蓄冷材料相变温度与相变潜热的实验研究(1)

水利电力施工机械
冷冻空调与节能 专辑( 二)
2000 No12
效率的提高极为不利。
3 蓄冷材料相变潜热的测试
蓄冷材料的固- 液相变潜热可以用电加热平衡 法和温差式热流量热计法等测定。电加热平衡法 只能测熔化潜热, 而温差式热流量热计法既能测 凝固潜热, 也能测熔化潜热。
式中 P ) ) ) 电加热丝消耗的电功率, W; v S ) ) ) 电加热丝加热时间, s; v St ) ) ) 实验从开始至结束总时间, s;
= 132. 88kJ/ kg
蓄冷材料固相比热为:
Cps =
h1 vT1 #
m
=
( 5-
5. 45 0) @ 0. 510
= 2. 14kJ/ kg # e
蓄冷材料液相比热为:
Cpl =
h3 -
T
3 0
-
h2
T
2 0
=
( 132. 88- 128. 65) ( 13. 8 - 12)
= 2. 35kJ/ kg # e
关键词: 蓄冷空调; 蓄冷材料; 相变温度; 相变潜热; 实验测试
Hale Waihona Puke Baidu
中图分类号: T B64
文献标识码: B
文章编号: 1006- 8449( 2000) 02- 008- 04
1 引言
相变蓄冷材料热物性及其工作性
能的研究具有重要的意义。材料的热
物性及工作性能既是衡量其性能优劣
的标尺, 又是其应用系统设计及性能
料球空壳的热容测试, 并予以扣除。但因 塑料壳 很薄、质量仅几克, 与试样 500g 相比仅约 1% , 所 以忽略 了, 上 述的 测试值 已满足 工程精 度需求。
值得指出的是: 作为蓄冷空调用的蓄冷材 料的有 用蓄冷潜热必须限定在可与空调回水( 12 e 以下 范围) 进行热 交换的 范围, 否则 会发生 错误。例
二者最终温度差 v T 32 = ( T 3 - T 2) 求得液相比
热 Cpl为:
#9#
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第 21 卷 第 2 期 总第 80 期
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C pl =
h3T 3-
h2 T2
最后由第二或第三次测 定的焓值中扣除固、
液相显热后算得熔解热 hfs:
h fs = h 2 - Cpl ( T l - T m ) - Cps( T m - T s)
评估的依据。
测定相变温度、相变 潜热及比热
的方法 可分 为 三类: a) 一般 卡 计
法[ 1、2] ; b) 差 热 分 析 法 ( Diff erential
T hermal A nalysis, 简称 DTA ) [ 3] ; c) 示
差扫描量热计法[ 4] ( Diff erent ial Scan-
实验之所以选定温 度 13. 8 e 和 12 e 的水作
为吸收蓄冷材料融化放冷 时的环境介质, 是因为 该蓄冷材料用于蓄冷空调 时, 空调回水温度最高 可允许到 14 e 。
实验数据处理结果: 第一次实验所测得的焓差:
h1 =
( 2. 80 @ 8. 5 @ 60 + 0. 90 @ 25 @ 60) / 1000 0. 510
2 蓄冷材料相变温度的测试
2. 2 实验结果与分析
2. 1 实验装置与实验方法
图 2 为某公司生产的蓄冷球内蓄冷材料的冷
图 1 为实验 装置图。实 验装置主要由 XWC 却凝固曲线。从该 图中可以看出, 相变蓄 冷材料
- 301 自动平衡记录仪、铜- 康铜热电 偶、冰瓶、保 温瓶、蓄冷材料( PCM) 等构成。
于环境相同温差 v T h = v T c = ( T h - T ] ) 时向 环境损失的热量, 而其单位时间热损量, 可以通过
调节量热器内电加热功率, 使之维持于 T h 恒定温 度条件下测得。具 体测定时, 还要注意装 在保温 瓶容器内的水与上述实验的水量相同。
用电加热平衡法测试样熔解热至少要做三次
如, 某公司将该同样蓄冷材料交给另外单 位测量 时, 测得其相变热为 200kJ/ kg, 几乎多出我们测定 值的一倍。经过我们用不同方法和改变熔化温限
测定, 发现了问题所在。例如, 用混合平衡法, 初 始用 40 e 的热水使蓄冷材料熔化, 或电热平衡法
的温限提高到 33 e , 其测试结果与某外单位测定 值相近。经用温差 式热流卡计测试, 发现 该相变 材料在 18~ 22 e 和 26~ 32 e 区还有相变潜热存
在, 当用高温水使之熔化后, 这部分潜热值放出来 了, 但是高于 12 e 的显热值, 在蓄冷空调中是不能 被利用的, 这一现象值得十分注意。另外, 顺便指
出的是: 复合盐 PCM 材料的老化现象, 其 中有一
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重要原因是表现在其低温熔解热向高温熔解热转 化上。
71 导热油 81 冰瓶 91 自动平衡记录仪
将相变蓄冷球放入冰水混合物内冷却, 由 平衡记
由于实验条件限制, 下面采用的实验方法与典型 录仪记录热电偶由于相变蓄冷材料温度变化而引
方法不完全相同, 可用于工程上进行蓄冷材料的 起的热电势变化, 然后由热电势转换成温度, 得出
性能测试。
蓄冷材料温度变化曲线。
19. 4 e 。实验共进行了 260m in, 其中加热总时间
为 110m in; 实验所测热损 q l= 0. 80W。
第三次实验: 实 验测定相变蓄冷球的质量为
0. 508kg;
保温瓶中经冷、热水混合配置的水温
T
3 0
为 13. 8 e , 容 积为 1000ml; 实验调 定的加热功率
为 10. 39W; 室内平均温度为 19. 6 e ; 实验共进行 了 230m in, 其中总加热时间 95min; 实验所测热损 ql= 0. 60W。
Cpl(
T
3 0
-
T m)
= 132. 88- 2. 14( 6. 3- 0) - 2. 35( 13. 8- 6. 3)
= 101. 77kJ/ kg 两次测得的相变潜热都为 101. 77kJ/ kg, 这说
明实验条件控制得很好, 使实验结果重复性很好。 上式测量值中严格 地说, 还应当再做一次 塑
为 2. 8W; 室内的平均温度为19. 4 e ; 试验共进行
了 25min, 其中加热总时间为 8. 5m in; 实验所测热
损 ql = 0. 90W。
第二次实验: 相变蓄冷球的质量为 0. 510kg ;
保温瓶中水温
T
2 0
为
12 e
, 容积为
1000ml; 实验室
调定 的加 热功率 为 8. 05W; 室内 平均 温度 约为
率输出装置、加热 丝、搅拌器、温度计、相 变蓄冷 球、保温瓶等构成。相变蓄冷球在冰箱里凝固后 置于 0 e 的冰水混合物中充分时间, 待试样温度稳 定至 0 e 后, 取出放入保温瓶的水中。保温瓶中的 水温经冷热水混合配 制为 T 0 ( T 0 是根据空调回 水温度 12 e 而受到限制, 一般设定在 10~ 12 e , T 0 一般低 于室温 T ] ) , 容积 为 1000ml。相变蓄 冷球在吸热相变过程中, 保温瓶内的水放热降温。 为了省去测试装置和中间传热介质的热容以及它 所带来的附加误差, 并使测试过程的热损易于确 定, 实验时在保温瓶的水中放有电加热丝, 并根据 水温指示采用恒定功率间 断加热, 以保持水温不 变。加热系统所设定 的恒定功率是在预实验中, 通过慢慢调定电加热丝所 需的功率, 使加热功率 基本上接近蓄冷材料的放冷速率而获得。累计整 个实验过程的加热时间, 并记为 v S。实验过程中 样品温度从 0 e 升到 T 0 时的总焓值 h 为:
实验, 第一次测试的温度 T 1 低于熔点 T m, 第二、 三次 T 2、T 3 高于 T m, 而 T 3 又高于 T 2。由第一 次测得的焓升 h 1 和温升 v T 1 = T 1- T 0 求得固 相比热 Cps为:
Cps =
h1 vT1# m
由第三与第二次的焓差 v h32 = ( h3- h2) 和
h = ( P # vS+ ql # v St ) / m
图 3 蓄冷材料相变潜热实验装置
11 功率输出装置 21 加热 丝 31 搅拌 器 41 温度
计 51 热水 61 相变球 71 保温瓶
热损 ql 是根据对称原理而采用电加热平衡法 测得的。因为量热器在低于环境 v T c = ( T ] T 0) 下单位时间获得的冷量近似等于量热器在高
4 结语
本文采用一种简易方法测试了蓄冷材料的相 变温度和相变潜热, 获得了较准确的结果, 并分析 了其优缺点, 该方法简单易行, 可用于工程上测量 相变蓄冷材料的热物性。特别指出了空调用蓄冷 材料固- 液相变潜热的测试, 一定要在满足空调用 的温度范围内进行测定, 否则要发生错误。
参考文献:
[ 1] 陈 则韶, 葛 新 石, 顾毓 沁 1 量 热技 术 及热 物 性测 量 [ M ] 1 合肥: 中国科学技术大学出版社, 19911
蓄冷材料的相变潜热测定结果如下。
第二次测量结果:
h
2 fs
=
h2 -
Cps( T m - T s) -
Cpl(
T
2 0
-
T m)
= 128. 65- 2. 14( 6. 3- 0) - 2. 35( 12- 6. 3) =
101. 77kJ/ kg
第三次测量结果:
h
3 fs
=
h3 -
Cps( T m - T s) -
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试验研究
第 21 卷 第 2 期 总第 80 期
2000 No12
蓄冷材料相变温度与相变潜热的实验研究
方贵银
( 中国 科学技术大学 热科学与能源工程系, 安徽 合肥 230027)
摘 要: 本文阐述了自行研制的蓄冷材料相变温度与相变潜热实验装置的特点, 并 在该实验装置上测试了蓄冷材料的相变温度和相变潜热, 获得了较准确的结果。该方法 简单易行, 可用于工程上测量相变蓄冷材料的热物性。
该实验采用冷却的方法测定蓄冷材料的相变 凝固温度。它是将热电偶插 入相变蓄冷球内, 并
有一定的过冷度, 约为 1. 5 e ; 相变材料的凝固曲 线有一个平台, 即有一定的相变温度, 约为 6. 3 e 。
该蓄冷材料用于空调蓄冷时, 相变温度适宜, 但过冷度的存在延缓了蓄冷材料的凝固, 对传热
#8#
[ 2] Chen Z S, et al. A r esearch on measurement of melting point and heat of fusion of medium of accumulation of cold[ A] . Proceedings of the 3rd Asian Thermophysical Properties Conference[ C] . Beijing , China, 19921 516 ~ 5201
式中 T s ) ) ) 试样固相起始温度; T m ) ) ) 试样熔点;
T l ) ) ) 试样熔化终了温度。
3. 2 实验结果与分析
例如, 某公司球形相变材料实验情况。
第一次实验: 实 验测定相变蓄冷球的质量为
0.
51 0kg;
保温瓶中经冷、热水混合配置的水温
T
1 0
为 5. 5 e , 容积为 1000ml; 实验室调定的加热功率
m ) ) ) 实验样品质量, kg; ql ) ) ) 实验装置在单位时间内向环境散出的
冷量, W, 即热损, 它是因实验量热计处在 低于室 温 T ] 下工作, 环境向试样容器传入的热量, 它使 电加热功率减少。
图 2 某公司蓄冷球内相变蓄冷材料冷却凝固曲线 ( 温度采 集时间间隔为 10s)
3. 1 电热平衡法测试原理及实验装置 图 3 为蓄冷材料相变潜热实验装置。它由功
= 5. 45kJ/ kg
第二次实验所测得的焓差:
h2 =
( 8. 05 @ 110 @ 60 + 0. 80 @ 260 @ 60) / 1000 0. 510
= 128. 65kJ/ kg
第三次实验所测得的焓差:
# 10 #
h3 =
( 10. 39 @ 95 @ 60+ 0. 60 @ 230 @ 60) / 1000 0. 508
图 1 测试蓄冷材料相变温度的实验装置
ning Calorimetry, 简称 DSC) , 它 利用 示差扫描量热计, 可以绘制相变材料 整个 相变 过程 中的 能 量- 时间 曲 线。
11 保 温 瓶 21 高 密 度 聚 乙烯 塑 料 球 31 相变 蓄 冷 材 料 ( PCM ) 41 冰水混合 物 51 铜- 康 铜热 电 偶 61 保 温材 料