-5~-7℃新型铁路冷藏车共晶液.doc

铁路冷藏车共晶液的开发研究袁军a 蔡勤生b 艾军a 陶加法ba武汉工程大学化工与制药学院，430073，武汉b中国南方机车车辆工业集团公司武昌车辆厂，430062，武汉摘要：通过研究不同无机盐对单一无机盐水溶液最低共熔点的影响，结果表明：添加无机盐可降低单一无机盐水溶液的最低共熔点；添加5%无机盐Kx的10.9% KNO3水溶液，其最低共熔点从-2.5下降到-5.4，相变潜热为307.16 kJ/kg，可以满足铁路冷藏车共晶液的设计要求。关键词：共晶液；冷藏车；最低共熔点 中图分类号：我国铁路冷藏运输不景气，而公路、航空冷藏运输却呈上升趋势。在欧美发达国家，冷藏货物主要依靠铁路运输，铁路冷藏运输率达80%以上。前苏联的铁路冷藏运输率也达到了50%。而我国铁路冷藏车仅承担1020%的易腐货物运输1。在铁路冷藏车的研制中，除车身优化设计的技术外，其核心技术是如何选择冷藏车共晶液2。铁路冷藏车共晶液属于一种低温蓄冷材料，其蓄冷原理主要是以物质的相变，利用潜热原理储存冷量3。关于共晶液的组成，对国内外企业来说都属于技术保密范畴，相关研究报道很少，只涉及其应用参数的报道4。对共晶液相变蓄冷介质的选择，需要考虑如下几个因素5：要有合适的熔化温度即相变温度，是相变蓄冷中考虑的首要问题。因为相变温度必须与被冷却物质保持一定的温差，方可使用；相变时潜热越大越好；在固态和液态时，都要具有较高的热传导能力；价格要适中，因为介质用量一般都比较大，故其价格是至关重要的；在固态和液态时，其比热越大越好；且没有盐析现象，热稳定性好；凝固时无过冷现象，熔化时无过饱和现象；热膨胀小，熔化时体积变化越小越好；没有腐蚀性，或尽可能降低其腐蚀性；无毒性。根据武昌车辆厂对铁路冷藏车的设计要求，其冷藏车共晶液的相变温度应-5-7之间，且相变潜热不低于260kJ/kg。本文通过一系列的试验筛选研究出一种新型的铁路冷藏车共晶液，其基本性能指标均达到了要求。1 实验部分1.1 实验仪器与药品各种无机盐类：如氯化纳、氯化钙、氯化镁、硝酸铵、苛性钾、硫酸钠、硝酸钠、钼酸钠、硝酸钾等，其规格采用化学纯。有机物类有：苯骈三氮唑、黄原酸、聚乙二醇、乙二醇、聚丙烯酰胺、多聚偏硼酸钠等，其规格均采用化学纯。低温循环冷冻装置、精密电子天平、低温精密水银温度计和低温电子温度计等。1.2 实验步骤按实验设计的方案将无机盐按质量百分比与水配制一定浓度的溶液。将配制好的溶液放入玻璃试管内，管内放入精密温度计。将玻璃试管放入低温循环冷冻装置的冷冻室内，每隔一分钟观察温度的变化情况，记录数据。当溶液完全冷冻后，拿出试管，在室温下观察温度的变化情况，记录实验数据。根据实验数据绘制溶液的降温曲线和升温曲线。1.3相变潜热及比热容的测定蓄冷介质的潜热和比热容采用文献5提供的水卡量热计测量。水卡量热计是玻璃真空绝热容器，试样进出口用硬泡沫板绝热材料作封盖，防止热量损失。测试试样的容器为一薄壁的玻璃试管，其内充入测试试样，使用低温电子温度计测量试样的温度变化。将试样封入试样容器内，然后将容器冷冻。在水卡量热计内加入蒸馏水，将试样迅速落入水卡量热计内，充分搅拌，试样球内经释放液体显热、潜热和固体显热三个过程，最后达到平衡，在绝热条件下可写出如下热平衡关系式：m1Cps (tpht1)+ L+ Cpl (t3tph)m2 Cpw (t2t3)-Qc 式中：Cpl试样液体的比热容，J/(gK)；Cps试样固体的比热容J/(gK)；Cpw水的比热容，Cpw =4.18J/(gK)；L 试样的潜热，J/g；Qc 水卡量热计的热漏，J；tph相变温度；m1试样质量；m2蒸馏水的质量；t1 试样起始温度；t2蒸馏水的起始温度；t3平衡温度。其中Qc包括两部分，一是水温变化引起的水卡量热计内胆的热容变化，二是试验时间内引起的环境热量漏入（出）。其值的计算可以通过测试求得。先在量热计中两份不同质量不同温度的蒸馏水，经过一段时间后达到平衡，根据能量守恒定律，得：m4Cpw (t4t6)m5 Cpw (t6t5)十Qc 式中：t4，t5蒸馏水的起始温度；t6平衡温度；m4，m5蒸馏水的质量； 改变蒸馏水的质量和初始温度做多次实验即可得到方程中的几个未知数。2 结果与讨论2.1 几种无机盐水溶液最低共熔点通过参考相关文献6, 我们筛选几种最低共熔点在-5-7的无机盐，如：KNO3、MgSO4、Na2CO3和Na2SO4等，分别配制相应浓度的无机盐溶液，实验绘制其冷却曲线和放冷曲线，见图1、图2。图1 MgSO4、KNO3、Na2CO3和Na2SO4的冷却曲线 Na2SO4； KNO3； MgSO4,； Na2CO3图2 MgSO4、KNO3、Na2CO3和Na2SO4的吸热曲线 Na2SO4； KNO3； MgSO4,； Na2CO3通过实验发现，几种无机盐与水的最低共熔点与文献6结果基本一致，其中MgSO4溶液的最低共熔点在-4,其过冷现象严重，过冷温度最低达到-8.3；KNO3、Na2CO3、Na2SO4溶液的最低共熔点在-2.5、-1.8和-0.8，结果见表1。实验证明，单一无机盐水溶液的最低共熔点无法满足实验的要求。表1不同无机盐溶液的最低共熔点无机盐浓度，%过冷温度，最低共熔点，MgSO419-8.3-4KNO310.9-2.75-2.5Na2CO35.9-2-1.8Na2SO412.71.5-0.82.2 混合无机盐溶液的最低共熔点通过实验，发现在无机盐水溶液中加入其它无机盐可降低其最低共熔点。选择最低共熔点在-5附近的MgSO4溶液和KNO3溶液进行研究，其结果见图3图5。图3为KNO3对19%MgSO4水溶液降温曲线和升温曲线的影响，从图3可以看出，在19%MgSO4水溶液添加5% 的KNO3可以使其最低共熔点从-4降到-6.7，但其过冷现象严重，不易结冰；图4为四种无机盐对10.9% KNO3水溶液降温曲线的影响，图5为无机盐对10.9% KNO3水溶液升温曲线的影响。从图4和图5中可以看出，四种无机盐均使10.9% KNO3水溶液的最低共熔点降低，且添加量均在5%以内，具体结果见表2。图3 KNO3对MgSO4水溶液吸热和冷却曲线的影响 19% MgSO4的冷却曲线； 19% MgSO4和5%KNO3混合溶液的冷却曲线； 19% MgSO4的吸热曲线； 19% MgSO4和5%KNO3混合溶液的吸热曲线图4 不同无机盐对KNO3水溶液冷却曲线的影响10.9%KNO3水溶液的冷却曲线；10.9% KNO3和5%NaNO3混合水溶液的冷却曲线；10.9% KNO3和5%NaOH混合水溶液的冷却曲线；10.9% KNO3和5%Kx混合水溶液的冷却曲线；10.9% KNO3和5%NaCl混合水溶液的冷却曲线；图5 不同无机盐对KNO3水溶液吸热曲线的影响10.9%KNO3水溶液的吸热曲线；10.9% KNO3和5%NaNO3混合水溶液的吸热曲线；10.9% KNO3和5%NaOH混合水溶液的吸热曲线；10.9% KNO3和5%Kx混合水溶液的吸热曲线；10.9% KNO3和5%NaCl混合水溶液的吸热曲线；从表2的结果可以看出，在10.9% KNO3水溶液中添加5%的NaCl或Kx均可在冷却过程中出现最低共熔点，且温度也降到实验要求的范围之中，但从图4中发现添加5%NaCl的KNO3水溶液的放冷曲线没有平台，证明该混合溶液在放冷过程中没有出现最低共熔点；而添加5%Kx的KNO3水溶液两条曲线(图4和图5)都出现平台，证明该混合溶液具有稳定的最低共熔点。综合选择，在10.9% KNO3水溶液中添加5%的无机盐Kx其最低共熔点可满足铁路冷藏车对共晶液的设计要求。表2 不同无机盐对KNO3水溶液共晶温度的影响添加剂浓度，%共晶温度，NaNO35-3.95NaOH5-4.4XK5-5.4NaCl5-6.22.3共晶液的热容及潜热的测定2.3.1共晶液液体热容的测定按照1.3.2的实验方法测定共晶液的液体热容。实验数据见表3。表3共晶液液体热容的实验数据表1#2#3#4#待测溶液的质量m4，g34.337.233.948.2待测溶液的初温t4，5255.25255量热器水的质量m5，g1300130013001300量热器水的初温t5，13.511.828.927.9稳定温度t6，14.913.229.528.9说明：1#、2#、3#为蒸馏水，4#为共晶液。将1#、2#、3#实验数据代入方程中，即可计算出水卡量热计的热漏平均值为-1145.77J；再利用4#数据即可计算出共晶液的液体热容Cpl =3.41 J/(g)2.3.2共晶液的固体热容及潜热的测定按照1.3.2的实验方法测定共晶液的固体热容及潜热。实验数据见表4。表4共晶液固体热容及潜热的实验数据表1#2#3#4#待测溶液的质量m1，g3845.3043.6530.78待测溶液的初温t1，-12-13-12-10.1量热器水的质量m2，g1300130012501300量热器水的初温t2，29.826.926.2126.19稳定温度t3，26.823.422.7023.81#、2#、3#、4#均为共晶液。将1#、2#实验数据代入方程中，其中tph= -5.4，可以解出Cps =2.39 J(gK)；再利用1#、2#、3#、4#实验数据可计算出该共晶液的潜热平均值为307.16 kJ/kg，达到了实验设计的性能指标。3 结论添加无机盐可降低单一无机盐水溶液的最低共熔点。通过研究不同无机盐对10.9% KNO3水溶液最低共熔点的影响，筛选出添加5%无机盐Kx的共晶液，其最低共熔点达到-5.4，相变潜热为307.16 kJ/kg，可以满足武昌车辆厂对铁路冷藏车共晶液的设计要求。参考文献：1赵金城，朱铁男，陈明礼等，160 km/h特种机械冷藏车的研制，铁道车辆，2003，41(11)：2224。2裘达，张茂祥，陶曹鲁，120 km/h机械冷板冷藏车新型共晶液的研制，铁道车辆，2001，39(10)：1516。3方责银，蓄冷材料相变温度与相变潜热实验研究，低温与特气，2000，18(5)：2021。4李兴仁，童明伟，吴碧容，共晶盐低温蓄冷材料的实验，重庆大学学报，2004，27(8)：113115。5郑家林，孙晓红，相变蓄冷原理及其应用，节能，1995，6：1216。6苏. . 主编，苏联化学手册（第三册），陶坤译，北京：科学出版社，1963。作者简介：袁军（1968-），男，湖北洪湖人，武汉化工学院副教授，主要研究方向为可吸收生物医学材料的合成及性能研究。电话E-mail：通讯地址：武汉市雄楚大街693号Study of Eutectic Liquid in Railway Refrigerated Lorry YUAN Juna CAI Qin-shengb AI Juna TAO Jia-fabaDepartment of Chemical Technology and Pharmaceutics, Wuhan Institute of Technology, Wuhan, 430073bChina South Locomotive & Rolling Stock Industry Co., Wuchang Rolling Stock Works, Wuhan, 430062Abstract: It is studied in this paper about the effect to lowest eutectic point of unique inorganic salt solution by adding other inorganic salts. The result shows that the lowest eutectic point of unique inorganic salt solution falls by adding other inorganic salt. By adding 5% inorganic salt XK to 10.9% KNO3 solution , its lowest eutectic poi