蓄冷材料相变温度与相变潜热实验研究

第18卷第5期2000年10月 低温与特气L ow T emper ature and Specialty Gases

V ol.18,No.5

O ct.,2000

工艺与设备

蓄冷材料相变温度与相变潜热实验研究

X

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: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。关键词:蓄冷空调;蓄冷材料;相变温度;相变潜热;实验测试

中图分类号:T B64 文献标识码:A 文章编号:1007-7804(2000)05-0019-03

1　前　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: 1.一般卡计法[1,2]

; 2.差热分析法(Differential Thermal Analy sis ,简称DT A )[3]; 3.示差扫描量热计法[4](Differential Scanning 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。由于实验条件限制,下面采用的实验方法与典型方法不完全相同,可用于工程上进行蓄冷材料的性能测试。

2　蓄冷材料相变温度的测试

2.1　实验装置与实验方法

图1为实验装置图。实验装置主要由XWC-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。

图1　测试蓄冷材料相变温度的实验装置

1.保温瓶;

2.高密度聚乙烯塑料球;

3.相变蓄冷材料(PCM );

4.冰水混合物;

5.铜—康铜热电偶;

6.保温材料;

7.导热油;

8.冰瓶;

9.自动平衡记录仪。

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,并将相变蓄冷球放入冰水混合物内冷却,由平衡记录仪记录热电偶由于相变蓄冷材料温度变化而引起的热电

势变化,然后由热电势转换成温度,得出蓄冷材料温度变化曲线。2.2　实验结果与分析

图2为某公司生产的蓄冷球内蓄冷材料的冷却

X

收稿日期:2000-08-28

凝固曲线,从该图中可以看出,相变蓄冷材料有一定的过冷度,约为1.5℃;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℃。

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,对传热效率

的提高极为不利。

图2　某公司蓄冷球内相变蓄冷材料冷却凝固曲线

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。

3.1　电热平衡法测试原理及实验装置

图3　蓄冷材料相变潜热实验装置

图3为蓄冷材料相变潜热实验装置。它由功率输出装置、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℃的冰水混合物中,待试样温度稳定至0℃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℃而受到

限制,一般设定在10～12℃,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$S 。实验过程中样品温度从0℃升到T 0时的总焓值h 为:

h =(P ・$S

+q l ・$S t )/m 式中,P 为电加热丝消耗的电功率,W;$S 为电加热丝加热时间,s ;$S t 为实验从开始至结束总时间,s ;m 为实验样品质量,kg ;q l 为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。

热损q l 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$T c =(T ∞-T 0)下单位时间获得的冷量近似等于量热器在高于环境相同温差$T h =$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$T 1=T 1-T 0求得固相比热c P s 为:

c P s =h 1

$T 1・m

由第三与第二次的焓差$h 32=(h 3-h 2)和二者最终温度差$T 32=(T 3-T 2)求得液相比热c P l 为:

c P l =h 3-h 2

T 3-T 2

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h fs :

h fs =h 2-c P l (T l -T m )-c P s (T m -T s )式中,T s 为试样固相起始温度;T m 为试样熔点;T l 为试样熔化终了温度。

3.2　实验结果与分析

例如,某公司球形相变材料实验:

20低温与特气 第18卷