空调蓄冷相变材料的最新研究
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目前 ,空调蓄冷材料主要有水 、冰和相变材料 3 种 。水 蓄冷是利用 4～7 ℃之间水的显热进行蓄冷 , 可以使用常规 的制冷机组 ,实现蓄冷和蓄热的双重用途 。对水蓄冷的研究 主要集中在动态模拟[1] 和运行经济性分析[2] 。水蓄冷存在 很多缺点 :蓄冷密度低 ,蓄水槽体积庞大 ;蓄冷槽内不同温度 的水容易混合 ,影响蓄冷槽中的储存冷量[2 ,3] 。冰蓄冷是一 种充分利用相变潜热的蓄冷方式 ,具有价格低廉 、性能稳定 、 潜热大等优点 ,在国内中央空调中使用较多 。浙江大学的叶 水泉[4] 对蓄冰装置的蓄冰融冰过程和低温送风空调系统进 行了充分研究 , 研制出不完全冻结式导热塑料蓄冰盘管 。 Sebzah M J 等[5] 对蓄冰系统也做了详细分析 。李玉娜等[6] 对冰蓄冷空调的经济性进行了研究 。但冰蓄冷相变温度低 ,
1 蓄冷相变材料的选择及分类
1. 1 相变材料的选择 相变蓄冷空调系统的关键是相变材料 ,所以它的选择至
关重要 。Abhat [9] 对相变材料应具备的性能进行了以下叙 述。
(1) 热物性方面 :具有较高的相变潜热和合适的相变温 度 。对空调蓄冷系统而言 ,要求相变温度在 5～10 ℃,否则冷
3 863 计划 (2008AA05Z206) 吕知梅 :女 ,1986 年生 ,硕士研究生 E2mail :lv. zm @mail. scut . edu. cn 张立志 :通讯作者 ,教授 ,博士生导师 Tel :020287114268 E2mail :lzzhang @scut . edu. cn
相变材料中添加金属 、石墨粉和纳米粒子 。
金属物质具有良好的导热性 ,被嵌入到相变材料中可提 高其导热能力 。Khan 等[24] 研究了在相变材料中加入铝 、铁 、 铜 、铝硅合金和铅基复合物时相变材料在结冰过程的传热特
空调蓄冷相变材料的最新研究/ 吕知梅等
·133 ·
空调蓄冷相变材料的最新研究 3
吕知梅 ,于军强 ,裴丽霞 ,张立志
(华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室 ,广州 510640)
摘要 相变材料是一种新型的蓄冷材料 ,5～10 ℃的相变材料在空调蓄冷系统中的应用越来越受到重视 ,已成 为国际研究的热点 。叙述了用于空调蓄冷的相变材料的选择原则和有机 、无机相变材料的优缺点 ,概括和评述了近 年来相变蓄冷材料在开发新型材料 、提高导热系数和降低过冷度等方面的研究进展 ,并展望了空调蓄冷相变材料的 研究趋势 。
Key words p hase change materials ( PCMs) , cool sto rage , air conditio ning , co nductivity , supercooling
0 引言
蓄冷是实现电网移峰填谷的有效手段 ,目前主要用于空 调蓄冷 。城市空调的耗电量相当大 ,由于电能紧张 ,近年来 国家电网公司也制定了相应的电价分时计价政策 ,促进了空 调蓄冷技术的推广 ,因此空调蓄冷技术能够产生很好的社会 效益与经济效益 ,实现电能的有效利用 。
使制冷机在制冰充冷时的蒸发温度比常规非蓄冷系统低 8～ 10 ℃,这不仅限制了蓄冷空调系统可采用的制冷机种类 ,而 且使制冷机的运行效率降低 30 %～40 %[7] 。与常规机组相 比 ,蓄冷系统制冷机组的 CO P 值下降 ,耗电量增加 。
相变材料进行相变蓄冷的空调系统可以克服上述水和 冰蓄冷系统的缺点 ,具有大的储能密度 ,是同等体积显热储 存物质的 5～14 倍[8] ,可直接采用常规制冷机组进行蓄冷 , 提高制冷机组的蒸发温度和 CO P 值 ,从而改善系统的能量 利用率 。在空调蓄冷系统中采用 5～10 ℃的相变材料最合 适 ,因此开发适宜的相变温度相变材料受到了人们的广泛关 注 ,近年来成为研究的热点 。
相变材料名称 (组成)
相变温度/ ℃ 熔化潜热/ (kJ / kg)
Na2 SO4 ·10 H2 O (含 N H4 Cl 、KCl 等) 月桂醇与辛酸 (质量比 2 ∶3) 氨基乙醇水溶液 (质量分数 99. 4 %～98 %)
十五烷 (芯材 ) 甲基异丁烯酸 (壳材) 复合相变材料 A
辛酸和软脂酸 (质量比 90源自文库∶10) 石蜡油/ 水
Abstract Phase change material is a novel cool sto rage material ,5～10 ℃p hase change materials used in t he air conditio ning cool storage system are mo re and mo re valuable and have become focus at ho me and abroad. The selec2 tion ,relative merit s and disadvantages of vario us kinds of p hase change materials for cool sto rage in t he air co nditioning are described. The develop ment of p hase change material in t he air co nditioning is reviewed , focusing on t he resear2 ches o n developing t he novel p hase change materials ,imp roving t he t hermal co nductivit y and reducing t he supercooling of p hase change materials. Finally ,t he develop ment t rend of p hase change material is p ropo sed.
(2) 化学条件 : 化学性能稳定 、无毒 、不爆炸 、无腐蚀 、溶 解性小 。
(3) 相变动力学方面 :要有较高的固化结晶速率 。 (4) 经济条件 :各组分来源容易 ,价格便宜 。 1. 2 相变材料的分类 相变材料按照相变方式一般可分为 4 类 : 固2固相变材 料 、固2液相变材料 、固2气相变材料和液2气相变材料 。用于 蓄冷空调系统中的相变材料主要是固2液相变材料 。相变材 料按化学组成可分为无机相变材料和有机相变材料 。
1. 2. 1 无机相变材料 适用于空调蓄冷的无机类固2液相变材料主要是共晶盐 ,
具有代表性的共晶盐有 Na2 SO4 ·10 H2 O ( 芒硝) 、CaBr2 · 6 H2 O 、Na2 H PO4 ·12 H2 O 、Mg ( NO3 ) 2 ·6 H2 O ( 镁 硝 石) 、 CaCl2 ·6 H2 O 等 。
共晶盐具有价格便宜 、导热系数较大 、熔解热较大 、密度 大等优点 。但是这类材料通常存在 2 个问题 , 一是过冷现
象 ,需要加成核剂来解决 ;另一个问题是相分离 ,解决的办法 有加增稠剂和晶形改变剂 。盛装相变材料的容器应采用薄 层结构等 。Ryu 等[12] 在寻找合适的增稠剂和成核剂方面进 行了广泛研究 ,找到的增稠剂有 SA P 和 CMC ,成核剂有硼 砂 、碳粉 、二氧化钛等 ,这些添加剂能用于多种水合盐 。 1. 2. 2 有机相变材料
( Key Labo ratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Co nservation of Minist ry of Education ,School of Chemist ry and Chemical Engineering ,Sout h China U niversity of Technology , Guangzho u 510640)
关键词 相变材料 蓄冷 空调 热导率 过冷度 中图分类号 : T K 02 文献标识码 :A
Ne w Research on Phase Change Materials f or Air Conditioning Cool Storage System
L U Zhimei , YU J unqiang , P EI Lixia , ZHAN G Lizhi
共晶盐的熔点比较高 ,通常需加入其他无机物来降低其 熔点 。Nagano 等[10] 在硝酸锰结晶盐中分别加入 NaNO3 、 NaCl 和 MnCl2 ·4 H2 O 等添加剂来降低熔点 。刘剑虹等[11] 在 Na2 SO4 ·10 H2 O 中加入 N H4 Cl 、KCl 和 K2 SO4 来降低其 熔点 ,使该相变材料的熔点从 32. 4 ℃降到 8 ℃。在该材料中 加入增稠剂羧甲基纤维素 ( CMC ,含量 3. 2 %) 可形成足够浓 的凝胶体 ,以阻碍硫酸钠水合物大晶体的生长 ,同时 ,加入晶 形改变剂六偏磷酸钠 (含量 0. 1 %) 能改变 Na2 SO4 ·10 H2 O 的晶体结构 ,使无机盐形成小的晶体 。增稠剂和晶形改变剂 的配合应用能较好地抑制水合盐的相分离及析出 。
典型的有机类相变材料有石蜡 、酯酸类 、高分子化合物 等 。在相变蓄冷技术中酯酸类相变材料的应用最广泛 ,研究 得也最多 。有机相变材料的相变温度随碳链的增长而升高 , 温度适用于空调蓄冷的相变材料有十四烷 、十五烷 、十六烷 以及对应的酸 。目前也有研究者致力于合成新的有机相变 材料 ,Sari 等[13] 合成了一系列的硬脂酸酯 ,相变温度为 23～ 63 ℃,相变潜热为 121～149kJ / kg ,温度偏高 ,不适用于空调 蓄冷 。
为了得到相变温度适当 、性能优异的相变材料 ,通常需 要将几种相变材料复合以形成二元或多元相变材料 ,由此弥 补二者的不足 ,制备出性能更好的复合相变材料[14] ,使之得 到更好的应用 。近年来开发的新相变材料见表 1 。
表 1 新开发的相变材料 Table 1 The newly developed p hase change material
癸酸和月桂酸 (物质的量比 65 ∶35) 添加 10 %甲基水杨酸
十六烷和十四烷(体积比 63. 33 ∶36. 67 ) 癸酸 、月桂酸和十五烷
8 6. 2 6～9. 2
9. 5 7. 9 6. 5 9. 5
12. 5
9. 4 13. 3
— 173. 2 155～196
97. 0 149. 0 116. 5 157. 0
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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材料导报 :综述篇
2010 年 1 月 (上) 第 24 卷第 1 期
量既无法储存也无法取用 ;相变温度保持恒定 ,相变蓄冷材 料在结冰过程中应始终保持一定的凝固温度 ,没有过冷及相 分离现象 ;蓄冷材料传热性能好 ,相变过程中体积变化小 。
有机类相变储能材料的优点是无过冷及析出现象 ,性能 稳定 ,无毒 ,无腐蚀 ;缺点是导热系数小 ,密度小 ,单位体积储 热能力差 。
2 蓄冷相变材料的新进展
由于单一的无机 、有机相变蓄冷材料都存在着上述问题 和缺陷 ,因此 ,近年来新型的复合相变蓄冷材料应运而生 ,已 成为蓄冷材料领域的热点研究课题 。对空调蓄冷相变材料 的研究主要集中在开发新型相变材料 、改善相变材料的传热 能力和降低过冷度等方面 。 2. 1 新型相变材料的开发
126. 7
145. 9 142. 2
温度 适宜 适宜
偏高 偏高
比较 潜热 过冷度
— 大小
导热 好
小
小
好
小
大大
小
参考文献
[ 11 ] [ 15 ]
[ 16 ]
[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
[ 21 ]
[ 22 ] [ 23 ]
2. 2 提高导热系数 为了增强相变材料的导热能力 ,目前常采用的措施是在
1 蓄冷相变材料的选择及分类
1. 1 相变材料的选择 相变蓄冷空调系统的关键是相变材料 ,所以它的选择至
关重要 。Abhat [9] 对相变材料应具备的性能进行了以下叙 述。
(1) 热物性方面 :具有较高的相变潜热和合适的相变温 度 。对空调蓄冷系统而言 ,要求相变温度在 5～10 ℃,否则冷
3 863 计划 (2008AA05Z206) 吕知梅 :女 ,1986 年生 ,硕士研究生 E2mail :lv. zm @mail. scut . edu. cn 张立志 :通讯作者 ,教授 ,博士生导师 Tel :020287114268 E2mail :lzzhang @scut . edu. cn
相变材料中添加金属 、石墨粉和纳米粒子 。
金属物质具有良好的导热性 ,被嵌入到相变材料中可提 高其导热能力 。Khan 等[24] 研究了在相变材料中加入铝 、铁 、 铜 、铝硅合金和铅基复合物时相变材料在结冰过程的传热特
空调蓄冷相变材料的最新研究/ 吕知梅等
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空调蓄冷相变材料的最新研究 3
吕知梅 ,于军强 ,裴丽霞 ,张立志
(华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室 ,广州 510640)
摘要 相变材料是一种新型的蓄冷材料 ,5～10 ℃的相变材料在空调蓄冷系统中的应用越来越受到重视 ,已成 为国际研究的热点 。叙述了用于空调蓄冷的相变材料的选择原则和有机 、无机相变材料的优缺点 ,概括和评述了近 年来相变蓄冷材料在开发新型材料 、提高导热系数和降低过冷度等方面的研究进展 ,并展望了空调蓄冷相变材料的 研究趋势 。
Key words p hase change materials ( PCMs) , cool sto rage , air conditio ning , co nductivity , supercooling
0 引言
蓄冷是实现电网移峰填谷的有效手段 ,目前主要用于空 调蓄冷 。城市空调的耗电量相当大 ,由于电能紧张 ,近年来 国家电网公司也制定了相应的电价分时计价政策 ,促进了空 调蓄冷技术的推广 ,因此空调蓄冷技术能够产生很好的社会 效益与经济效益 ,实现电能的有效利用 。
使制冷机在制冰充冷时的蒸发温度比常规非蓄冷系统低 8～ 10 ℃,这不仅限制了蓄冷空调系统可采用的制冷机种类 ,而 且使制冷机的运行效率降低 30 %～40 %[7] 。与常规机组相 比 ,蓄冷系统制冷机组的 CO P 值下降 ,耗电量增加 。
相变材料进行相变蓄冷的空调系统可以克服上述水和 冰蓄冷系统的缺点 ,具有大的储能密度 ,是同等体积显热储 存物质的 5～14 倍[8] ,可直接采用常规制冷机组进行蓄冷 , 提高制冷机组的蒸发温度和 CO P 值 ,从而改善系统的能量 利用率 。在空调蓄冷系统中采用 5～10 ℃的相变材料最合 适 ,因此开发适宜的相变温度相变材料受到了人们的广泛关 注 ,近年来成为研究的热点 。
相变材料名称 (组成)
相变温度/ ℃ 熔化潜热/ (kJ / kg)
Na2 SO4 ·10 H2 O (含 N H4 Cl 、KCl 等) 月桂醇与辛酸 (质量比 2 ∶3) 氨基乙醇水溶液 (质量分数 99. 4 %～98 %)
十五烷 (芯材 ) 甲基异丁烯酸 (壳材) 复合相变材料 A
辛酸和软脂酸 (质量比 90源自文库∶10) 石蜡油/ 水
Abstract Phase change material is a novel cool sto rage material ,5～10 ℃p hase change materials used in t he air conditio ning cool storage system are mo re and mo re valuable and have become focus at ho me and abroad. The selec2 tion ,relative merit s and disadvantages of vario us kinds of p hase change materials for cool sto rage in t he air co nditioning are described. The develop ment of p hase change material in t he air co nditioning is reviewed , focusing on t he resear2 ches o n developing t he novel p hase change materials ,imp roving t he t hermal co nductivit y and reducing t he supercooling of p hase change materials. Finally ,t he develop ment t rend of p hase change material is p ropo sed.
(2) 化学条件 : 化学性能稳定 、无毒 、不爆炸 、无腐蚀 、溶 解性小 。
(3) 相变动力学方面 :要有较高的固化结晶速率 。 (4) 经济条件 :各组分来源容易 ,价格便宜 。 1. 2 相变材料的分类 相变材料按照相变方式一般可分为 4 类 : 固2固相变材 料 、固2液相变材料 、固2气相变材料和液2气相变材料 。用于 蓄冷空调系统中的相变材料主要是固2液相变材料 。相变材 料按化学组成可分为无机相变材料和有机相变材料 。
1. 2. 1 无机相变材料 适用于空调蓄冷的无机类固2液相变材料主要是共晶盐 ,
具有代表性的共晶盐有 Na2 SO4 ·10 H2 O ( 芒硝) 、CaBr2 · 6 H2 O 、Na2 H PO4 ·12 H2 O 、Mg ( NO3 ) 2 ·6 H2 O ( 镁 硝 石) 、 CaCl2 ·6 H2 O 等 。
共晶盐具有价格便宜 、导热系数较大 、熔解热较大 、密度 大等优点 。但是这类材料通常存在 2 个问题 , 一是过冷现
象 ,需要加成核剂来解决 ;另一个问题是相分离 ,解决的办法 有加增稠剂和晶形改变剂 。盛装相变材料的容器应采用薄 层结构等 。Ryu 等[12] 在寻找合适的增稠剂和成核剂方面进 行了广泛研究 ,找到的增稠剂有 SA P 和 CMC ,成核剂有硼 砂 、碳粉 、二氧化钛等 ,这些添加剂能用于多种水合盐 。 1. 2. 2 有机相变材料
( Key Labo ratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Co nservation of Minist ry of Education ,School of Chemist ry and Chemical Engineering ,Sout h China U niversity of Technology , Guangzho u 510640)
关键词 相变材料 蓄冷 空调 热导率 过冷度 中图分类号 : T K 02 文献标识码 :A
Ne w Research on Phase Change Materials f or Air Conditioning Cool Storage System
L U Zhimei , YU J unqiang , P EI Lixia , ZHAN G Lizhi
共晶盐的熔点比较高 ,通常需加入其他无机物来降低其 熔点 。Nagano 等[10] 在硝酸锰结晶盐中分别加入 NaNO3 、 NaCl 和 MnCl2 ·4 H2 O 等添加剂来降低熔点 。刘剑虹等[11] 在 Na2 SO4 ·10 H2 O 中加入 N H4 Cl 、KCl 和 K2 SO4 来降低其 熔点 ,使该相变材料的熔点从 32. 4 ℃降到 8 ℃。在该材料中 加入增稠剂羧甲基纤维素 ( CMC ,含量 3. 2 %) 可形成足够浓 的凝胶体 ,以阻碍硫酸钠水合物大晶体的生长 ,同时 ,加入晶 形改变剂六偏磷酸钠 (含量 0. 1 %) 能改变 Na2 SO4 ·10 H2 O 的晶体结构 ,使无机盐形成小的晶体 。增稠剂和晶形改变剂 的配合应用能较好地抑制水合盐的相分离及析出 。
典型的有机类相变材料有石蜡 、酯酸类 、高分子化合物 等 。在相变蓄冷技术中酯酸类相变材料的应用最广泛 ,研究 得也最多 。有机相变材料的相变温度随碳链的增长而升高 , 温度适用于空调蓄冷的相变材料有十四烷 、十五烷 、十六烷 以及对应的酸 。目前也有研究者致力于合成新的有机相变 材料 ,Sari 等[13] 合成了一系列的硬脂酸酯 ,相变温度为 23～ 63 ℃,相变潜热为 121～149kJ / kg ,温度偏高 ,不适用于空调 蓄冷 。
为了得到相变温度适当 、性能优异的相变材料 ,通常需 要将几种相变材料复合以形成二元或多元相变材料 ,由此弥 补二者的不足 ,制备出性能更好的复合相变材料[14] ,使之得 到更好的应用 。近年来开发的新相变材料见表 1 。
表 1 新开发的相变材料 Table 1 The newly developed p hase change material
癸酸和月桂酸 (物质的量比 65 ∶35) 添加 10 %甲基水杨酸
十六烷和十四烷(体积比 63. 33 ∶36. 67 ) 癸酸 、月桂酸和十五烷
8 6. 2 6～9. 2
9. 5 7. 9 6. 5 9. 5
12. 5
9. 4 13. 3
— 173. 2 155～196
97. 0 149. 0 116. 5 157. 0
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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材料导报 :综述篇
2010 年 1 月 (上) 第 24 卷第 1 期
量既无法储存也无法取用 ;相变温度保持恒定 ,相变蓄冷材 料在结冰过程中应始终保持一定的凝固温度 ,没有过冷及相 分离现象 ;蓄冷材料传热性能好 ,相变过程中体积变化小 。
有机类相变储能材料的优点是无过冷及析出现象 ,性能 稳定 ,无毒 ,无腐蚀 ;缺点是导热系数小 ,密度小 ,单位体积储 热能力差 。
2 蓄冷相变材料的新进展
由于单一的无机 、有机相变蓄冷材料都存在着上述问题 和缺陷 ,因此 ,近年来新型的复合相变蓄冷材料应运而生 ,已 成为蓄冷材料领域的热点研究课题 。对空调蓄冷相变材料 的研究主要集中在开发新型相变材料 、改善相变材料的传热 能力和降低过冷度等方面 。 2. 1 新型相变材料的开发
126. 7
145. 9 142. 2
温度 适宜 适宜
偏高 偏高
比较 潜热 过冷度
— 大小
导热 好
小
小
好
小
大大
小
参考文献
[ 11 ] [ 15 ]
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[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
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2. 2 提高导热系数 为了增强相变材料的导热能力 ,目前常采用的措施是在