相变材料及相变乳状液的热性能

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　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（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（C14H30，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，并寻找到温度适宜的相变材料。通过添加乳化剂制备了20wt%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C14H30：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

　　2.1.1 DSC测量方法

　　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1～3mg，扫描温度范围为-30 OC～ 30 OC.测量时先从30 OC降温至-30 OC，再重新升温至30 OC，十四烷质量为1.800mg, 加热和冷却速率为5OC/min，升降温过程融解热基本相同，降温过程为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 OC,比较接近理论值5.8 OC,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 OC.

　　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℃。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。

　　选用合适的十四烷与十六烷的混合物作为相变材料，可以将相变乳状液的温度控制在空调冷冻水工况7℃~12℃之间，从而改善了相变乳状液的热性能。