复合低温相变蓄冷材料的实验研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
YAN G Ying SHEN Hai2ying
D epartm en ts of Pow erM ach inery, Chongqing U niversity, Chongqing 400044
The cooling energy storage phase change composite m aterial developed by us selves is p resented. The p roperties of cooling energy storage material include melting point, phase change fusion heat and cooling curve are investigated. The cooling energy storage phase change composite m aterial is composed of the one organic m atter and one inorganic matter. The D ifferential Scanning Calorimeter (DSC) was used to determ ine m elting point and phase change fusion heat. The hypotherm ia refrigerator was used to determ ine the uniform ity and stability. The results show that the material has better therm al perform ance. So it can be used in the p reservation of m edical, food, refrigerator and cold storage.
冰箱是人们日常生活中广泛使用的制冷设备 , 蓄冷冰箱是在冰箱中增加相变蓄冷材料 ,除了起到 转移用电负荷的作用外 ,还可以对冰箱内部温度流 场起到均衡的作用 ,制冷压缩机无需频繁启动. 由于 冰箱蒸发器工作温度在 0 ～ - 20℃,相变材料的相 变温度应符合这一需求.
图 1 热流式 DSC原理示意图
配制 一 系 列 浓 度 的 乙 二 醇 溶 液 , 起 始 浓 度 15% ,浓度差以 5%递增 ,作 6 组试验 ,从中选择适 用于冰 箱 冷 冻 室 蒸 发 温 度 的 乙 二 醇 溶 液 浓 度 为
25%. 同样配制一系列浓度的氯化铵溶液 ,起始浓度
5% ,浓度差以 5%递增 ,作 6组试验 ,从中选择适用 于冰箱冷冻室蒸发温度的氯化铵溶液浓度为 15%. 实验结果如图 2、图 3和表 1所示.
表 1 单一有机物 、无机物溶液热物性实验
参数 配制浓度 质量 起始融化 峰值融化 融解潜热
材料
%
mg 温度 ℃ 温度 ℃
kJ / kg
乙二醇溶液 25 7. 0
- 11
- 18
96. 8
氯化铵溶液 15 8. 2
- 13
- 16
336. 6
以单一工质实验获得的浓度为基准 ,将两种溶 液混合并以 2: 3 比例混合 ,实验结果如图 4 和表 2 所示.
第 31卷 第 2期 2 0 0 9年 5月
低 温 物 理 学 报 CH INESE JOURNAL OF LOW TEM PERATURE PHYSICS
Vol. 31, No. 2 M ay 2 0 0 9
复合低温相变蓄冷材料的实验研究 3
杨 颖 沈海英
重庆大学动力工程学院 ,重庆 400044
表 2 乙二醇 、氯化铵混合溶液热物性实验
参数 材料
质量 融化 融解潜热 mg 温度 ℃ kJ / kg
25%乙二醇溶液 + 25%氯化铵溶液
12. 2 - 15. 9 221. 5
25%乙二醇溶液
+ 30%氯化铵溶液
8. 1
- 16 212. 8
25%乙二醇溶液 + 35%氯化铵溶液
9. 3 - 16. 5 206. 6
3 科技部科技型中小企业技术创新基金 (项目编号 : 07C26215110843)资助的课题. 3 Project supported by the M inistry of Science and Technology of China ( Grant No. 07C26215110843) .
目前国内外研究较多的固 2液相变材料主要包 括两大类 :无机物相变材料和有机物相变材料. 无机 物相变材料以结晶水合盐类为主 ,有机物相变材料 主要包括高级脂肪烃 、脂肪酸及其酯类 、醇类 、芳香 烃类及高分子聚合物类等. 前者应用较多 ,技术相对 成熟些 ,但相变过程中具有过冷和相分离的缺点 ,影 响了其储冷能力 ,另外绝大多数无机物具有腐蚀性 ; 有机物没有相分离的缺点 ,且化学性能稳定 、价格便 宜 ,固体状态成型性较好. 有些有机物混合后 ,相变 点可在一定范围内调整 ,这将增大蓄冷温度调节范 围. 但有机物存在明显的缺陷就是导热率低 、相变潜 热低. 而有机 2无机复合相变材料一定程度上能有效 克服单一的无机物或有机物相变蓄冷材料的缺点 , 又可以改善相变材料的应用效果以及拓展其应用范 围. 近年来 ,国内外都进行了一些相变蓄冷材料的制 备及其性能的研究 ,并取得了一些有价值的成 果 [ 4～6 ] .
提出自行研制的一种复合低温相变蓄冷材料 ,通过实验分析了该蓄冷材料的融点 、相变潜热和凝固融化过程 曲线. 该材料由有机物和无机物混合而成 ,用示差扫描量热仪 (DSC)来测定该蓄冷材料的融点 、相变潜热 ;用低温 冰箱测试凝固融化过程材料的均匀稳定性. 实验结果表明 ,该材料具有良好的性能 ,适用于医药 、食品 、冰箱及冷库 等蓄冷装置中.
素 ,但到目前还没出台国家或国际的测试标准. 广泛 采用的是差示扫描量热法 (DSC) 、调制差示扫描量 热法 (MDSC) 、差热分析法 (DTA ) ,其它有影响力的 有参比温度曲线法 ( T2history) 、常规卡计法等. DSC、 MDSC、DTA 测量的精确度高 , 测试条件可操作性 强 ,但设备昂贵. 后者装置简单 、易操作 、价格便宜 , 适宜对实验结果要求不高的情况. 美国家实验室的 标准方法是 DSC,学术领域也推荐用 D SC[ 8～9 ].
图 3 乙二醇溶液相变过程的 DSC曲线
图 4 混合溶液相变过程的 DSC曲线
冷和释冷过程中的温度 ,得出数据并整理成温度变 化图 ,便可以很直观的看到相变材料蓄冷和释冷的 温度变化情况.
对前述试验中获得的混合相变材料进行蓄冷和 释冷过程的稳定性测定 ,将混合相变蓄冷材料装入 容器放入恒温的低温冰箱 ,采用铜 2康铜热电偶 ,利 用 ADAM 热电偶模块与电脑组成的温度采集系统 , 定时采集相变材料在蓄冷和释冷过程中的温度 ,得 出数据并整理成凝固过程曲线如图 5所示.
DSC是在线性温度程序控制下经过温度扫描 , 以所测能量差来研究物质热力学性质的一种热分析 仪器. 在加热和冷却过程中 ,材料的任何变化都要伴 随着热量的交换 , DSC可以得到样本在物理或化学 变化过程中所伴随发生的吸热或放热反应 ,再通过 热分析软件计算材料的热物性. 其原理如图 1.
2 材料的选择
第 1期
杨 颖等 :复合低温相变蓄冷材料的实验研究
147
TM
=1 1 R lnX i
Ti Hi
来自百度文库
其中 : Xi 是混合物中纯化合物 I的摩尔分数 ; Hi
是纯化合物 i的熔化潜热 ; Tm , Ti 是纯合物 i和混合 物的熔化温度 ; R 是气体常数.
由于摩尔含量 Xi 小于 1, lnXi 则为负数 ,而 R 与 H均是正数 ,所以 1 / Tm 必大小 1 / Ti ,则 Tm 小于
Ti ,即说明混合后的凝固温度比纯物质的凝固温度 要低. 实验也证明 ,有机 2无机混合溶液的凝固温度
要低. 所以在寻找低温蓄冷材料时用多组分混合是
个值得参考的好方法.
混合溶液的相变潜热
选择相变材料时应满足热性能 、化学性能 、物理 性能 、经济性能等要求 [ 7 ]. 针对不同的制冷工况 ,要 求蓄冷材料具有合适的相变温度 、较大的相变潜热 和合适的导热性能 (热导率一般宜大 ). 同时在相变 过程中不应发生溶析现象 ,以免导致相变介质化学 成分的变化 ;必须是可逆相变 、无过冷 、性能稳定 ;安 全性和经济性较好.
图 5 凝固过程曲线
4 实验结果及讨论
图 2 氯化铵溶液相变过程的 DSC曲线
3. 2 蓄冷和释冷过程稳定性测试 对之前初步选定的几种相变材料进行蓄冷和释
冷过程的稳定性测定 ,利用 ADAM 热电偶模块与电 脑组成一个温度采集系统 ,定时采集相变材料在蓄
由图 4可知 , DSC曲线图明显整体向左移动了 , 说明混合溶液的凝固温度比前两者都低. 因为混合 物的熔化温度总是比纯化合物的熔化温度低. 这可 根据热力学第二定律及相平衡理论推导出混合物融 点的理论计算式 [ 11 ]为
关键词 : 融点 ;复合蓄冷材料 ;相变潜热 PACC: 8110H , 8640, 9160H
I NVEST IGAT IO N O N CRYO GEN ICS COOL THERM AL ENERGY STO RAGE PHASE CHANGE COM PO S IT IO N M ATER IAL3
Keywords: melting point, compound cooling energy storage m aterial, phase change fusion heat PACC : 8110H , 8640, 9160H
1 引 言
能源危机 、电力紧张和节能减排已成为 21世纪
我国面临的重大课题. 蓄能是解决能源紧张 、缓和用 能时间不均的有效措施之一. 制冷行业是能耗大户 , 采用蓄冷技术能起到缓解能源高峰 、低谷的矛盾以 及耗能区域集中的矛盾.
其基本原理为 :将等测样品与参比样品 (标样 ) 分别置于银制炉体内左右两侧的载物平台上 ,当施 予两侧相同的热量时 ,热流就通过康铜电热板传至 待测样品与参比样品 ,由于标样和试样的吸热特性 不同 ,二者会有差热产生 ,而紧贴于载物平台下方的 两对对热电偶可精确测量出待测样品与参比样品两 者的温度差 ,再根据差热 2温度 DSC 曲线计算了样 品的潜热 [ 10 ] .
收稿日期 : 2008208212; Received date: 2008208212
第 1期
杨 颖等 :复合低温相变蓄冷材料的实验研究
145
虽然利用一些材料 (如水 )的显热贮能价格低 廉 、方法简单 ,但其贮能密度低 ,占地面积大 ,工质蓄 冷温度主要适用于 空调蓄 冷 ; 而相 变材 料 ( Phase change material,简称 PCM )通过把相变过程中吸收 (释放 )的大量热量储存起来而实现能量的时空转 换 [ 1～3 ] ,相变的潜热储能远比显热储能量大 ,且蓄冷 温区的适应范围更大 ,可适应低于空调系统的低温 制冷工况 ,因此采用低温相变蓄冷技术对平衡峰谷 用电可以起到关键的作用. 所以寻找相变潜热高 、相 变温度合适 、导热性能好 、化学稳定的蓄冷材料是低 温蓄冷技术的研究热点.
通过对相变温度在 - 20 ～ - 40℃的大量有机 物 、无机物材料的实验筛选 ,本文采用了氯化铵溶液 与乙二醇两种相变材料混合搅拌而成的复合低温相 变材料 ,通过实验获得复合材料的热物性参数 ,并对 材料的蓄冷 、释冷特性进行了研究.
3 实验研究
3. 1 DSC实验 相变材料的热物性是选择相变材料的关键因
本实验采用德国 NETZSCH 公司生产的型号为 DSC2200PC Phox. 的热流式差示扫描热量仪 ,冷却方
146
低 温 物 理 学 报
第 31卷
式采用液氮 ,用铟作为参比物校准 ; 保护气为纯度 99. 99%的氮气 ,吹扫气流速 20m l/m in,流速 60m l/ m in;温升范围 - 60℃～20℃,温升速率为 5℃ /M in.
D epartm en ts of Pow erM ach inery, Chongqing U niversity, Chongqing 400044
The cooling energy storage phase change composite m aterial developed by us selves is p resented. The p roperties of cooling energy storage material include melting point, phase change fusion heat and cooling curve are investigated. The cooling energy storage phase change composite m aterial is composed of the one organic m atter and one inorganic matter. The D ifferential Scanning Calorimeter (DSC) was used to determ ine m elting point and phase change fusion heat. The hypotherm ia refrigerator was used to determ ine the uniform ity and stability. The results show that the material has better therm al perform ance. So it can be used in the p reservation of m edical, food, refrigerator and cold storage.
冰箱是人们日常生活中广泛使用的制冷设备 , 蓄冷冰箱是在冰箱中增加相变蓄冷材料 ,除了起到 转移用电负荷的作用外 ,还可以对冰箱内部温度流 场起到均衡的作用 ,制冷压缩机无需频繁启动. 由于 冰箱蒸发器工作温度在 0 ～ - 20℃,相变材料的相 变温度应符合这一需求.
图 1 热流式 DSC原理示意图
配制 一 系 列 浓 度 的 乙 二 醇 溶 液 , 起 始 浓 度 15% ,浓度差以 5%递增 ,作 6 组试验 ,从中选择适 用于冰 箱 冷 冻 室 蒸 发 温 度 的 乙 二 醇 溶 液 浓 度 为
25%. 同样配制一系列浓度的氯化铵溶液 ,起始浓度
5% ,浓度差以 5%递增 ,作 6组试验 ,从中选择适用 于冰箱冷冻室蒸发温度的氯化铵溶液浓度为 15%. 实验结果如图 2、图 3和表 1所示.
表 1 单一有机物 、无机物溶液热物性实验
参数 配制浓度 质量 起始融化 峰值融化 融解潜热
材料
%
mg 温度 ℃ 温度 ℃
kJ / kg
乙二醇溶液 25 7. 0
- 11
- 18
96. 8
氯化铵溶液 15 8. 2
- 13
- 16
336. 6
以单一工质实验获得的浓度为基准 ,将两种溶 液混合并以 2: 3 比例混合 ,实验结果如图 4 和表 2 所示.
第 31卷 第 2期 2 0 0 9年 5月
低 温 物 理 学 报 CH INESE JOURNAL OF LOW TEM PERATURE PHYSICS
Vol. 31, No. 2 M ay 2 0 0 9
复合低温相变蓄冷材料的实验研究 3
杨 颖 沈海英
重庆大学动力工程学院 ,重庆 400044
表 2 乙二醇 、氯化铵混合溶液热物性实验
参数 材料
质量 融化 融解潜热 mg 温度 ℃ kJ / kg
25%乙二醇溶液 + 25%氯化铵溶液
12. 2 - 15. 9 221. 5
25%乙二醇溶液
+ 30%氯化铵溶液
8. 1
- 16 212. 8
25%乙二醇溶液 + 35%氯化铵溶液
9. 3 - 16. 5 206. 6
3 科技部科技型中小企业技术创新基金 (项目编号 : 07C26215110843)资助的课题. 3 Project supported by the M inistry of Science and Technology of China ( Grant No. 07C26215110843) .
目前国内外研究较多的固 2液相变材料主要包 括两大类 :无机物相变材料和有机物相变材料. 无机 物相变材料以结晶水合盐类为主 ,有机物相变材料 主要包括高级脂肪烃 、脂肪酸及其酯类 、醇类 、芳香 烃类及高分子聚合物类等. 前者应用较多 ,技术相对 成熟些 ,但相变过程中具有过冷和相分离的缺点 ,影 响了其储冷能力 ,另外绝大多数无机物具有腐蚀性 ; 有机物没有相分离的缺点 ,且化学性能稳定 、价格便 宜 ,固体状态成型性较好. 有些有机物混合后 ,相变 点可在一定范围内调整 ,这将增大蓄冷温度调节范 围. 但有机物存在明显的缺陷就是导热率低 、相变潜 热低. 而有机 2无机复合相变材料一定程度上能有效 克服单一的无机物或有机物相变蓄冷材料的缺点 , 又可以改善相变材料的应用效果以及拓展其应用范 围. 近年来 ,国内外都进行了一些相变蓄冷材料的制 备及其性能的研究 ,并取得了一些有价值的成 果 [ 4～6 ] .
提出自行研制的一种复合低温相变蓄冷材料 ,通过实验分析了该蓄冷材料的融点 、相变潜热和凝固融化过程 曲线. 该材料由有机物和无机物混合而成 ,用示差扫描量热仪 (DSC)来测定该蓄冷材料的融点 、相变潜热 ;用低温 冰箱测试凝固融化过程材料的均匀稳定性. 实验结果表明 ,该材料具有良好的性能 ,适用于医药 、食品 、冰箱及冷库 等蓄冷装置中.
素 ,但到目前还没出台国家或国际的测试标准. 广泛 采用的是差示扫描量热法 (DSC) 、调制差示扫描量 热法 (MDSC) 、差热分析法 (DTA ) ,其它有影响力的 有参比温度曲线法 ( T2history) 、常规卡计法等. DSC、 MDSC、DTA 测量的精确度高 , 测试条件可操作性 强 ,但设备昂贵. 后者装置简单 、易操作 、价格便宜 , 适宜对实验结果要求不高的情况. 美国家实验室的 标准方法是 DSC,学术领域也推荐用 D SC[ 8～9 ].
图 3 乙二醇溶液相变过程的 DSC曲线
图 4 混合溶液相变过程的 DSC曲线
冷和释冷过程中的温度 ,得出数据并整理成温度变 化图 ,便可以很直观的看到相变材料蓄冷和释冷的 温度变化情况.
对前述试验中获得的混合相变材料进行蓄冷和 释冷过程的稳定性测定 ,将混合相变蓄冷材料装入 容器放入恒温的低温冰箱 ,采用铜 2康铜热电偶 ,利 用 ADAM 热电偶模块与电脑组成的温度采集系统 , 定时采集相变材料在蓄冷和释冷过程中的温度 ,得 出数据并整理成凝固过程曲线如图 5所示.
DSC是在线性温度程序控制下经过温度扫描 , 以所测能量差来研究物质热力学性质的一种热分析 仪器. 在加热和冷却过程中 ,材料的任何变化都要伴 随着热量的交换 , DSC可以得到样本在物理或化学 变化过程中所伴随发生的吸热或放热反应 ,再通过 热分析软件计算材料的热物性. 其原理如图 1.
2 材料的选择
第 1期
杨 颖等 :复合低温相变蓄冷材料的实验研究
147
TM
=1 1 R lnX i
Ti Hi
来自百度文库
其中 : Xi 是混合物中纯化合物 I的摩尔分数 ; Hi
是纯化合物 i的熔化潜热 ; Tm , Ti 是纯合物 i和混合 物的熔化温度 ; R 是气体常数.
由于摩尔含量 Xi 小于 1, lnXi 则为负数 ,而 R 与 H均是正数 ,所以 1 / Tm 必大小 1 / Ti ,则 Tm 小于
Ti ,即说明混合后的凝固温度比纯物质的凝固温度 要低. 实验也证明 ,有机 2无机混合溶液的凝固温度
要低. 所以在寻找低温蓄冷材料时用多组分混合是
个值得参考的好方法.
混合溶液的相变潜热
选择相变材料时应满足热性能 、化学性能 、物理 性能 、经济性能等要求 [ 7 ]. 针对不同的制冷工况 ,要 求蓄冷材料具有合适的相变温度 、较大的相变潜热 和合适的导热性能 (热导率一般宜大 ). 同时在相变 过程中不应发生溶析现象 ,以免导致相变介质化学 成分的变化 ;必须是可逆相变 、无过冷 、性能稳定 ;安 全性和经济性较好.
图 5 凝固过程曲线
4 实验结果及讨论
图 2 氯化铵溶液相变过程的 DSC曲线
3. 2 蓄冷和释冷过程稳定性测试 对之前初步选定的几种相变材料进行蓄冷和释
冷过程的稳定性测定 ,利用 ADAM 热电偶模块与电 脑组成一个温度采集系统 ,定时采集相变材料在蓄
由图 4可知 , DSC曲线图明显整体向左移动了 , 说明混合溶液的凝固温度比前两者都低. 因为混合 物的熔化温度总是比纯化合物的熔化温度低. 这可 根据热力学第二定律及相平衡理论推导出混合物融 点的理论计算式 [ 11 ]为
关键词 : 融点 ;复合蓄冷材料 ;相变潜热 PACC: 8110H , 8640, 9160H
I NVEST IGAT IO N O N CRYO GEN ICS COOL THERM AL ENERGY STO RAGE PHASE CHANGE COM PO S IT IO N M ATER IAL3
Keywords: melting point, compound cooling energy storage m aterial, phase change fusion heat PACC : 8110H , 8640, 9160H
1 引 言
能源危机 、电力紧张和节能减排已成为 21世纪
我国面临的重大课题. 蓄能是解决能源紧张 、缓和用 能时间不均的有效措施之一. 制冷行业是能耗大户 , 采用蓄冷技术能起到缓解能源高峰 、低谷的矛盾以 及耗能区域集中的矛盾.
其基本原理为 :将等测样品与参比样品 (标样 ) 分别置于银制炉体内左右两侧的载物平台上 ,当施 予两侧相同的热量时 ,热流就通过康铜电热板传至 待测样品与参比样品 ,由于标样和试样的吸热特性 不同 ,二者会有差热产生 ,而紧贴于载物平台下方的 两对对热电偶可精确测量出待测样品与参比样品两 者的温度差 ,再根据差热 2温度 DSC 曲线计算了样 品的潜热 [ 10 ] .
收稿日期 : 2008208212; Received date: 2008208212
第 1期
杨 颖等 :复合低温相变蓄冷材料的实验研究
145
虽然利用一些材料 (如水 )的显热贮能价格低 廉 、方法简单 ,但其贮能密度低 ,占地面积大 ,工质蓄 冷温度主要适用于 空调蓄 冷 ; 而相 变材 料 ( Phase change material,简称 PCM )通过把相变过程中吸收 (释放 )的大量热量储存起来而实现能量的时空转 换 [ 1～3 ] ,相变的潜热储能远比显热储能量大 ,且蓄冷 温区的适应范围更大 ,可适应低于空调系统的低温 制冷工况 ,因此采用低温相变蓄冷技术对平衡峰谷 用电可以起到关键的作用. 所以寻找相变潜热高 、相 变温度合适 、导热性能好 、化学稳定的蓄冷材料是低 温蓄冷技术的研究热点.
通过对相变温度在 - 20 ～ - 40℃的大量有机 物 、无机物材料的实验筛选 ,本文采用了氯化铵溶液 与乙二醇两种相变材料混合搅拌而成的复合低温相 变材料 ,通过实验获得复合材料的热物性参数 ,并对 材料的蓄冷 、释冷特性进行了研究.
3 实验研究
3. 1 DSC实验 相变材料的热物性是选择相变材料的关键因
本实验采用德国 NETZSCH 公司生产的型号为 DSC2200PC Phox. 的热流式差示扫描热量仪 ,冷却方
146
低 温 物 理 学 报
第 31卷
式采用液氮 ,用铟作为参比物校准 ; 保护气为纯度 99. 99%的氮气 ,吹扫气流速 20m l/m in,流速 60m l/ m in;温升范围 - 60℃～20℃,温升速率为 5℃ /M in.