相变材料及相变乳状液的热性能

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（Differential Scanning Calorimeter）和参比温度法（T-history method）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

2、乳状液的相变温度与空调工况（712）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相变乳状液，其相变温度及潜热完全符合我们的运用要求。 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运用来消减白天耗电量并蓄积冷量。但是，除了冰晶制冰方式（需要专门的动态制冰机）以外，各种固态蓄冰方式（包括冰球）的蒸发温度至少要达到-8 -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

3、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。 潜热型功能热流体是由特制的相变材料微粒(尺寸为m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

4、，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，这为完成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（C 14 H 30 ，融点5.8，潜热229kJ/kg) 的相变乳状液的热物性进行了初步的探索。本文系统的介绍了十四烷为相变材料的相变乳状液的相变性能。尝试了新相变材料“十四烷与十六烷的二元混合物”，测量了其相变温度和潜热，并寻找到温度适合的相变材料。通过添加乳化剂制备了20wt%

5、新相变材料的乳状液，测量了相变乳状液的相变温度和潜热。 2 以十四烷为相变材料的相变乳状液 相变材料十四烷C 14 H 30 ：购自辽宁省抚顺市抚顺化工厂。 2.1    相变材料十四烷的相变温度与相变热的确定 用DSC2910示差扫描量热仪测定热特性，用高纯标准样品校准温度及热焓，高纯氮气保护，氮气流量为50mL/min，试样量为13mg，扫描温度范围为-30 O C 30 O C。测量时先从30 O C降温至-30 O C，再重新升温至30 O C，十四烷质量为1.800mg, 加热和冷却速率为5 O C/min，升降温过程融解热基本相同，降温过程为

6、207.61J/g，升温过程为192.62J/g，接近理论潜热229J/g。但升降温过程相变温度有显著差异，十四烷的融点为5.39 O C,比较接近理论值5.8 O C,而降温过程则由于DSC测样量过少（仅为1.800mg），发生了明显的过冷，凝固点仅为1.68 O C。    2.1.2    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（直径0.5mm），沿中心轴线方向放在针状套管中,测温精度±0.3。

7、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（试管的半径为6mm，管长为10.5cm）内，它们在试管中的Bi数（Bi=hR/2k，R为试管半径，k为相变材料的导热系数，h为试管外空气的 自然 对流换热系数）均小于0.1，故可认为试管内液体温度是均匀一致的，其传热 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（或冰箱）中，恒温箱初始温度To>Tm（相变材料的相变温度），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4.2g，远大于DSC的测样质量（1.800mg），测得的凝固温度过冷很小，与十四烷融解温度（5.39）仅有0.34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（）    DSC    1.800mg