相变材料及相变乳状液的热性能

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1、相变材料及相变乳状液的热性能徐慧杨睿+张寅平王馨黄哲+林佳+摘要：潜热型功能热流体是近年来提出的一种空调新技术，分为微胶囊乳状液和相变乳状液两大类。自制微胶囊乳状液的热性能在参考文献[1]中给出了详细介绍，本文则着重介绍了潜热型功能热流体的第二类“相变乳状液”。其中，相变材料的热性能是相变乳状液中极为关键的部分。文中首先给出了DSC和参比温度法[2]所测相变材料热性能的结果，同时测量了自行配制的相变乳状液的相变温度和潜热。这种相变乳状液的相变温度与空调工况尚有一定距离。在该种相变材料的基础上，重新探索了复合相变材料“十四烷与十六烷的二元混合物”，并制备了相应配比的

2、相变乳状液，其相变温度及潜热完全符合我们的使用要求。关键词：相变材料乳状液相变温度潜热1引言近年来，我国城市白天电力能耗逐年增加，而夜间耗电量小且电价便宜，“削峰填谷”是解决这一问题的一种途径。目前，多种蓄冷系统被广泛使用来消减白天耗电量并蓄积冷量。但是，除了冰晶制冰方式以外，各种固态蓄冰方式的蒸发温度至少要达到-~-10℃或者更低，与之配套二次冷媒的温度也必须在-6℃以下，这使得大量蒸发温度在零上的高效冷水空调机组无法，而且蒸发温度越低，制冷系数也越低，电耗就会越大[3]。潜热型功能热流体则不然，它的蓄冷温度可以与空调工况吻合得很好，同时蓄积大量冷量。潜热型功能

3、热流体是由特制的相变材料微粒(尺寸为μm量级)和单相传热流体水混合构成的一种固液多相流体，分为相变乳状液和微胶囊乳状液[1]。相变乳状液将相变材料直接分散在水中形成乳液，其传热性能优于微胶囊乳状液，但是易堵塞管道；微胶囊乳状液是用高分子聚合物包裹相变材料形成微囊，该微囊被分散在水中又形成乳液，由于有聚合物外壳包裹，微胶囊乳状液不易堵塞管道，但传热性能要逊于相变乳状液。潜热型功能热流体的蓄冷密度比较大，材料来源广泛，价格低廉，最独特的地方还在于乳液发生相变前后都能够保持流动状态，这为实现蓄释冷过程中的强化传热创造了条件。借助对流与导热相似理论，我们已经建立了功能热流

4、体管内湍流流动的内热源模型,并指出了潜热型功能热流体换热强化的物理机制[4-10]。天津大学赵镇南[11-12]、日本的H.Inaba等[13]对相变材料为十四烷，发生了明显的过冷，凝固点仅为OC。.参比温度法原理及测量结果根据参比温度法原理[2]，自行搭建了实验台，测量了相变材料降温过程的凝固点。　　测试装置如图1所示。热针指铜－康铜型热电偶，沿中心轴线方向放在针状套管中,测温精度±℃。热针与HP34970A数据采集仪连接，通过PC机来记录相变材料的温度变化。相变材料和水分别放在相同规格的试管内，它们在试管中的Bi数均小于，故可认为试管内液体温度是均匀一致的，其

5、传热分析可采用集总热容法。测量时，先将装有液体PCM、水、空气的试管放入恒温箱中，恒温箱初始温度To>Tm，温度达到To后，调节恒温箱的温度，使其以1℃/min的速度降至0℃左右。PCM在降温过程中发生凝固，凝固温度记录在HP数据采集仪中。表一给出了DSC法和参比温度法所测结果的区别。从表一中可看出，参比温度法测样量，远大于DSC的测样质量，测得的凝固温度过冷很小，与十四烷融解温度仅有℃的温差。　　表一DSC法与T-history法测相变材料十四烷的凝固温度方法质量凝固点DSCT-history.2相变乳状液的热性能以相变材料十四烷的质量浓度作为乳液的浓度，测量了

6、10%、20%、30%三个质量浓度时乳液的融点、融解热、凝固热。表二给出了测量结果。相变乳状液的温度与相变材料基本一致，相变潜热值有一定降低，其中C14H30浓度为30%的乳状液潜热值最大。　　表二相变乳状液的相变温度及潜热C14H30DSC融点融解热凝固热102030以十四烷与十六烷的混合物为相变材料的相变乳状液.1二元混合相变材料的相变温度与潜热　　十四烷是传统的相变材料，但其相变温度仍略低于空调冷冻水7℃~12℃的温度区间。目前，接近该温度范围的石蜡相变材料有十四烷、十五烷和十六烷。十五烷由于价格昂贵而不予考虑，使用十四烷与十六烷的二元混合物可以提高相变材料

7、的相变温度。图2给出了多个配比比例下十四烷与十六烷二元混合物的相变温度和潜热。DSC与参比温度法的数据吻合。当二元混合物中十六烷的质量含量在50％～90％时，混合相变材料的相变温度在6℃～12℃，相变温度与十六烷质量含量曲线约成线形，但潜热值并不线形变化，潜热图中很明显有一段低潜热值段，即十六烷为60～80wt%左右，混合物潜热值比较低，约为130kJ/kg。应用时可根据需求选择适宜的配方。.2二元混合相变材料的相变乳状液的热性能　　表三相变乳状液的DSC融点与融解热数据混合相变材料中十六烷的浓度混合相变材料的融点混合相变材料的融解热相变乳状液的融点相变乳状液的融

8、解热708