一种相变材料的理论

一种相变材料的理论研究摘要：介绍了相变材料的种类和和性质，阐述了相变材料的选取原则，理论计算出癸酸和月桂酸的混合物作为相变材料的配比。用施罗德公式理论证明该相变材料的可行性。关键字：相变材料施罗德公式差示扫描量热法引言能源是工业生产的命脉，是经济发展、社会进步、人类生存发展的基础。同样，环境则是人类赖以生存和发展的必要条件。随着科学技术的进步与发展，人们对能源的需求日益增加，传统的不可再生能源越来越少。而对不可再生能源过量开采和浪费，不但造成能源的供给渐趋紧张，而且也加剧了环境的恶化。目前全球有20亿人用不上电，全球矿物能源消耗量在1992年至1999年间增加了10%；1965至1998年，全球二氧化碳排放量翻了一番[1]。同时，在炎热的夏季，空调已成为建筑耗能的主体。有关统计数据表明，全国每年空调用掉的能耗需要一座三峡水电站的全部发电量。因此，如何开发出新的绿色能源及降低能耗己经成为我国乃至世界的一个非常紧迫的课题。相变储能材料(PhaseChangeMaterial，简称PCM))的出现为提高建筑物舒适度、降低能耗和改善对环境负面影响提供了一条有效途径。所谓相变储能是指物质在相变化过程中吸收或释放能量。相变的过程是一个等温或近似等温，并伴有大量的能量吸收或释放过程，正是这一特性构成了相变储能材料具有广泛应用的理论基础。在采暖空调领域，由于人们对室内环境的舒适度要求越来越高，相应的建筑能耗（包括空调采暖能耗）也随之增高，造成能源消耗过快，环境污染加剧。而人们利用采暖或空调的目的就是要维持室内空气温度及提高室内的舒适度。如果将相变材料用于建筑材料或其它建筑产品中，将起到良好的作用。1相变材料的性质和种类：从化学成分分类，可分为无机相变材料和有机相变材料。可作无机相变材料的无机物包括水合无机盐、无机盐、金属和合金，其中只有无机水合盐属于中、低温相变储能材料。与有机相变材料相比其导热系数、融解热、密度和储热密度均较大、化学性质一般呈中性、价格便宜。用于供暖空调系统及建筑维护结构的结晶水合盐类相变材料包括碱金属和碱土金属的卤化盐、硫酸盐、磷酸盐、醋酸盐等盐类水合物。有机相变材料有石蜡、脂酸类以及某些醇类、芳香烃类化合物等。这里着重介绍在建筑节能中常用的石蜡类和脂酸类有机物。石蜡主要由直链烷烃混合而成，分子式为CnH2n+2。应用于相变墙板中的石蜡主要是碳原子数在15-24之间的烷烃混合物。如正十六烷和正十八烷。脂酸类有机物的分子式为CnH2nO2。相变温度在20℃—90℃之间，相变潜热与石蜡差不多。应用于相变墙板中的脂酸类有机物碳原子数主要在10-18之间。如癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、软脂酸、硬脂酸等。多元醇又属于固—固相变储能材料。其相变温度在100—300℃区间，且相变过程中不生成液态。通常应用的多元醇类相变材料为PE（季戊四醇）、PG（三羟基甲基乙烷）、NPG（新戊二醇）等[2]。2应用于相变墙板的相变材料的选取考虑到人居建筑舒适性的要求，可应用于相变墙板的相变材料需主要满足以下条件：①PCM的相变温度必须在室内舒适温度范围附近，如冬季室内温度在18℃—22℃左右，夏季室内温度在22℃—26℃左右，而PCM的相转变温度应在此范围内。②PCM不能从墙板中泄露、长期循环不变质、与建材要相容。③必须在恒定温度下融化及固化，即必须是可逆相变，不发生过冷现象（或过冷度很小）。④PCM必须要容易与建材结合。⑤无毒、对人体无腐蚀。⑥不易燃。⑦体积膨胀率小。⑧低蒸汽压。⑨满足经济性等。从上文所提及到的相变材料中可以看出只有石蜡和脂酸类有机物满足该条件.虽然石蜡类相变材料拥有较高的融解热和稳定的化学性质，是应用于建筑墙体中的相变材料的首选，但其价格极其昂贵，因而失去了研究和使用的意义。脂酸类相变材料的特性与石蜡类相近，且其价格低廉，可应用于相变墙板的使用中。经研究测试，发现癸酸—肉豆蔻酸和癸酸—月桂酸的有机混合物的熔点、融解热比较合适，熔化温度可以通过改变混合物中各化合物的组分来改变。3对该相变材料的可行性的理论研究3.1对该癸酸、月桂酸相变温度和相变潜热的DSC测试差示扫描量热法（DifferentialScanningCalorimetry，简称DSC）是在程序温度控制下测量物质与参比物之间单位时间的能量差随温度变化的一种技术。原理和差热分析基本相似，所不同的是利用了装置在试样和参比物容器下面的两组补偿加热丝。当试样在加热过程中，由于热反应而出现温差△T时，通过差热放大和差动热量补偿使流入补偿丝的电流发生变化。当试样吸热时，补偿使试样一边的电流立即增大。反之，在试样放热时则使参比物一边的电流增大，直至两边热量平衡，温差△T消失为止。即，试样在热反应时发生的热量变化，由于及时输入电功率而得到补充。将实验选取的癸酸(C10H20O2)和月桂酸(C12H24O2)做DSC测试。，所用的癸酸和月桂酸由中国医药（集团）上海化学试剂公司生产，化学纯。癸酸技术参数标定含量高于98.5%，凝固点≥29℃。月桂酸技术参数标定含量高于99.8%，熔点在43—44℃。DSC以0.2℃/min的扫描速率纪录，测试所用相变材料样品的重量大约是10mg。通过癸酸和月桂酸的DSC图（左侧），可知纯化合物癸酸的熔点是=30.638℃，即相变温度为30.638℃，峰值温度为31.489℃，熔化潜热（）为155.457J/g，即相变焓值为155.457J/g。由右侧图可知纯化合物月桂酸的熔点是=42.906℃，即相变温度为42.906℃，熔化潜热（）为175.832J/g，，即相变焓值为175.832J/g。由此可见癸酸、月桂酸都有较高的相变潜热，是很好的储能材料，把这两种物质按照一定比例混合后，如能使混合物的相变温度在室内舒适度范围内，并且具有较高的相变潜热，则可作为相变墙板的材质。脂酸类任一种纯化合物的熔点都高于我们要求的相变温度（空调室内设计温度范围内），所以只有将它们混合才可能使混合后的混合物相变温度在我们要求的范围内。即将癸酸与月桂酸混合，混合看成理想溶液模型，混合物的熔化温度总是比纯化合物的熔化温度低。两组分体系混合能达到一最低的熔点，称为低共熔点。若将具有低共熔点的组成的溶液冷却，在低共熔点全部凝固。该低共熔点为混合后相变材料的计算相变温度。3.2癸酸与月桂酸混合配比的确定通过对由癸酸—月桂酸形成的相变材料的熔点、熔解热的理论计算，选出合适的百分比，配出相变材料，进行测试。3.21癸酸与月桂酸低共熔点及混合配比的理论计算客通过施罗德控（论Schrod抬e助r裂）公式计算可嘴得到不同癸酸螺与月桂酸混合需比对应的不同锋的相变温度。需低共熔温度时强呈三相平续衡添[3键]邻：桐描A神（现s盟）夹↔勿AB骄2市(锡s)稿↔约溶淹液劝L展在定温定压时师，为使溶开质婚A提溶于溶立剂执B胜所形成的溶液受和纯溶瑞质螺A未处于平衡漫，勿A标在两相中的化侮学位必须相等授。即（3-1）朵式中杜是纯固体溶弹质尘A监的化学位（摩雾尔吉布斯能）启。在平衡时用觉饱和溶液中溶涉质育A桑的摩尔分数表拾示溶解度。搂因为是理想溶症液模型，所以狸因们此焦字（毙3-帜2物）构对式欣（酱1-数2级）两边取全微料分，（3-3）野当压力一定时喊，（3-4）将式中：签—捉—烤混合物主要成醋分芳A则的摩尔分数；球—谜—纱纯化合晶物荒A索的熔化潜热约，光J/mo解l汽；仁—匀—约纯化合捕物危A着的熔化温度谜，鹿K淡；总—骤—解含有化合丙物蝶A仰的混合物的熔绩化温度很，眨K跑；今—睁—占气体常数塌，躲8.315未J/kmo美l冷。舌由于脂酸的熔昨化点与其纯度棒有关，因纯度链低可能造成与绘文献值的差值弯高达困3激℃在，因此选择的椅相变材料首先仍要叹用洞DS柴C梁方法测量得到家的纯酸的熔化辩温度和熔化热遵。利用测得的仇值（恩，逢）和方程扯（毕3-煎4魂）来计算二元齐混合物的低共律熔点（，秧）。妙按照施罗德公毕式计算出癸酸敢与月桂酸混合橡物的低共融温孔度及对应的混袖合百分比。从孕以今上俱DS糠C贩测试可知，癸未酸相变温度为捏30.63补8稍℃喉，月桂酸为测42.90膊6洗℃雾。癸酸的相变及焓值算为匹155.45具7J/洪g神，月桂酸凯为壶175.83增2J/楚g说。首先考虑癸套酸为溶剂，月阀桂酸为溶质。临以饱和溶液的容摩尔分数表示滩的月桂酸的溶嫂解度可如下求捷出：（3－5）剧其次，考虑月氏桂酸为溶剂，竹癸酸为溶质的死情况，癸酸的独溶解度为：（3－6）丈上图是利用公辰式始3牲－貌5描、秧3演－公6唯绘得。右边的帽曲线是月桂酸温的溶解度曲线盒，也可以把它观看为月桂酸的岗凝固点降低曲擦线。左边的曲律线是癸酸的溶尝解度曲线（或透凝固点降低曲霜线）。两条曲跟线厕在宰想19.09罩征℃馆，泉0.3倍4腥处相交。这就眠是癸获酸钟—聋月桂酸体系的研低共熔点。可粱知癸助酸绑—芬月桂酸混合物柏在比例漠为垂66他%今：吸34芽%熊附近时可达到摔最低溶解温度暑为高19.0贱9新℃带，该温度也在索室内设计温度视内，符合要求殃。邪致3.3补鉴该混合物相变包潜热的理论计售算聚根据文怎献惭[4贪]汽对（准）共晶轰系的熔解热进艳行了分析预测闭，得到混合物穷熔解热的计算尸经验公式：（3-7）烟式中：但—斗—随第种组分的重谣量百分比；遥—葡—浴第镜种组分的融解伸热；匀—微—掉第裤种组分的融点丧—孤—绍第胁种组分液态的草比热碧—壮—混第简种组分固态的乒比热轿将试得的癸酸惰相变温度佛30.63震8冷℃址，相变潜热守155.45更7J/窃g耕和月桂酸相变你温度会42.90牌6歼℃黄，相变潜热完175.83团2J/晋g冬以及混合物的区低共熔温度茅19.0泳9镇℃塌代入此公式，墨可得召到西66炉%直癸谋酸泄—他34拼%渔月桂酸所组成淘的混合物的相逗变潜热企为珍153.97肌9J/慌g盛。可见癸挥酸层—幸月桂酸按一定哀比例混合后生钞成的混合物具伐有较高的熔解丰热，可用于冬稿季空调房间的慰相变墙板。结论：滤通过施罗德公罪式的理论计算快，可知用癸酸夏和月桂酸按重望量比剧为皮6腰6牧：请3炼4从混合得到的相腰变材料具有较贺高的融解热，座且相变温度在竹室内空调设计搜温度范围内，消故可以作为相持变储能的材料治。参考文献傅[1]考栗周大地，韩文上科滑.遭中国能源问题坝研