蓄冷材料相变温度与相变潜热实验研究

第18卷第5期2000年10月 低温与特气L ow T emper ature and Specialty Gases V ol.18,No.5O ct.,2000工艺与设备蓄冷材料相变温度与相变潜热实验研究X方贵银(中国科学技术大学热科学与能源工程系,安徽合肥　230027)摘要:阐述了自行研制的蓄冷材料相变温度与相变潜热实验装置的特点,并在该实验装置上测试了蓄冷材料的相变温度和相变潜热,获得了较准确的结果。

该方法简单易行,可用于工程上测量相变蓄冷材料的热物性。

关键词:蓄冷空调;蓄冷材料;相变温度;相变潜热;实验测试中图分类号:T B64 文献标识码:A 文章编号:1007-7804(2000)05-0019-031　前　言相变蓄冷材料热物性及其工作性能的研究具有重要的意义。

材料的热物性及工作性能既是衡量其性能优劣的标尺,又是其应用系统设计及性能评估的依据。

测定相变温度、相变潜热及比热的方法可分为三类: 1.一般卡计法[1,2]; 2.差热分析法(Differential Thermal Analy sis ,简称DT A )[3]; 3.示差扫描量热计法[4](Differential Scanning Calorimetry,简称DSC),它利用示差扫描量热计,可以绘制相变材料整个相变过程中的能量-时间曲线。

由于实验条件限制,下面采用的实验方法与典型方法不完全相同,可用于工程上进行蓄冷材料的性能测试。

2　蓄冷材料相变温度的测试2.1　实验装置与实验方法图1为实验装置图。

实验装置主要由XWC-301自动平衡记录仪、铜—康铜热电偶、冰瓶、保温瓶、蓄冷材料(PCM )等构成。

图1　测试蓄冷材料相变温度的实验装置1.保温瓶;2.高密度聚乙烯塑料球;3.相变蓄冷材料(PCM );4.冰水混合物;5.铜—康铜热电偶;6.保温材料;7.导热油;8.冰瓶;9.自动平衡记录仪。

该实验采用冷却的方法测定蓄冷材料的相变凝固温度。

它是将热电偶插入相变蓄冷球内,并将相变蓄冷球放入冰水混合物内冷却,由平衡记录仪记录热电偶由于相变蓄冷材料温度变化而引起的热电势变化,然后由热电势转换成温度,得出蓄冷材料温度变化曲线。

2.2　实验结果与分析图2为某公司生产的蓄冷球内蓄冷材料的冷却X收稿日期:2000-08-28凝固曲线,从该图中可以看出,相变蓄冷材料有一定的过冷度,约为1.5℃;相变材料的凝固曲线有一个平台,即有一定的相变温度,约为6.3℃。

该蓄冷材料用于空调蓄冷时,相变温度适宜,但过冷度的存在延缓了蓄冷材料的凝固,对传热效率的提高极为不利。

图2　某公司蓄冷球内相变蓄冷材料冷却凝固曲线3　蓄冷材料相变潜热的测试蓄冷材料的固—液相变潜热可以用电加热平衡法和温差式热流量热计法等测定。

电加热平衡法只能测熔化潜热,而温差式热流量热计法既能测凝固潜热,也能测熔化潜热。

3.1　电热平衡法测试原理及实验装置图3　蓄冷材料相变潜热实验装置图3为蓄冷材料相变潜热实验装置。

它由功率输出装置、加热丝、搅拌器、温度计、相变蓄冷球、保温瓶等构成。

相变蓄冷球在冰箱里凝固后置于0℃的冰水混合物中,待试样温度稳定至0℃后,取出放入保温瓶的水中。

保温瓶中的水温经冷热水混合配制为T 0(T 0是根据空调回水温度12℃而受到限制,一般设定在10～12℃,T 0一般低于室温T ∞),容积为1000mL 。

相变蓄冷球在吸热相变过程中,保温瓶内的水放热降温。

为了省去测试装置和中间传热介质的热容以及它所带来的附加误差,并使测试过程的热损易于确定,实验时在保温瓶的水中放有电加热丝,并根据水温指示采用恒定功率间断加热,以保持水温不变。

加热系统所设定的恒定功率是在预实验中,通过慢慢调定电加热丝所需的功率,使加热功率基本上接近蓄冷材料的放冷速率而获得。

累计整个实验过程的加热时间,并记为$S 。

实验过程中样品温度从0℃升到T 0时的总焓值h 为:h =(P ・$S+q l ・$S t )/m 式中,P 为电加热丝消耗的电功率,W;$S 为电加热丝加热时间,s ;$S t 为实验从开始至结束总时间,s ;m 为实验样品质量,kg ;q l 为实验装置在单位时间内向环境散出的冷量,W ,即热损,它是因实验量热计处在低于室温T ∞下工作,环境向试样容器传入的热量,它使电加热功率减少。

热损q l 是根据对称原理而采用电加热平衡法测得的。

因为量热器在低于环境$T c =(T ∞-T 0)下单位时间获得的冷量近似等于量热器在高于环境相同温差$T h =$T c =(T h -T ∞)时向环境损失的热量,而其单位时间热损量,可以通过调节量热器内电加热功率,使之维持于T h 恒定温度条件下测得。

具体测定时,还要注意装在保温瓶容器内的水与上述实验的水量相同。

用电加热平衡法测试样熔解热至少要做三次实验,第一次测试的温度T 1低于熔点T m ,第二、三次T 2、T 3高于T m ,而T 3又高于T 2。

由第一次测得的焓升h 1和温升$T 1=T 1-T 0求得固相比热c P s 为: c P s =h 1$T 1・m由第三与第二次的焓差$h 32=(h 3-h 2)和二者最终温度差$T 32=(T 3-T 2)求得液相比热c P l 为: c P l =h 3-h 2T 3-T 2最后由第二或第三次测定的焓值中扣除固、液相显热后算得熔解热h fs :h fs =h 2-c P l (T l -T m )-c P s (T m -T s )式中,T s 为试样固相起始温度;T m 为试样熔点;T l 为试样熔化终了温度。

3.2　实验结果与分析例如,某公司球形相变材料实验:20低温与特气 第18卷第一次实验:实验测定相变蓄冷球的质量为0.510kg;保温瓶中经冷、热水混合配置的水温T10为5.5℃,容积为1000mL;实验调定的加热功率为2.8W;室内平均温度为19.4℃;试验共进行了25 min,其中加热总时间为8.5m in;实验所测热损q l=0.90W。

第二次实验:相变蓄冷球的质量为0.510kg;保温瓶中水温T20为12℃,容积为1000mL;实验调定的加热功率为8.05W;室内平均温度为19.4℃。

实验共进行了260min,其中加热总时间为110 min;实验所测热损q l=0.80W。

第三次实验:实验测定相变蓄冷球的质量为0.508kg;保温瓶中经冷、热水混合配置的水温T30为13.8℃,容积为1000ml;实验调定的加热功率为10.39W;室内平均温度为19.6℃;实验共进行了230min,其中总加热时间为95min;实验所测热损q l=0.60W。

实验之所以选定温度为13.8℃和12℃的水作为吸收蓄冷材料熔化放冷时的环境介质,是因为该蓄冷材料用于蓄冷空调时,空调回水温度最高可允许到14℃。

实验数据处理结果:第一次实验所测得的焓差:　h1=(2.80×8.5×60+0.90×25×60)/10000.510=5.45kJ/kg第二次实验所测得的焓差:　h2=(8.05×110×60+0.80×260×60)/10000.510=128.65kJ/kg第三次实验所测得的焓差:　h3=(10.39×95×60+0.60×230×60)/10000.508=132.88kJ/kg蓄冷材料固相比热为:　c P s=h1$T1・m=5.45(5-0)×0.510=2.14kJ/(kg・℃)蓄冷材料液相比热为c P l=h3-h2T30-T20=(132.88-128.65)(13.8-12)=2.35kJ/(kg・℃)蓄冷材料的相变潜热:第二次测量结果:h2fs=h2-c P s(T m-T s)-c P l(T20-T m) =128.65-2.14(6.3-0)-2.356(12-6.3) =101.77kJ/kg第三次测量结果:h3fs=h3-c P s(T m-T s)-c P l(T30-T m)=132.88-2.14(6.3-0)-2.356×(13.8-6.3)　=101.77kJ/kg两次测得的相变潜热都为101.77kJ/kg,这说明实验条件控制得很好,使实验结果重复性很好。

严格地说在上述测量中,还应当再做一次塑料球空壳的热容测试,并予以扣除。

但因塑料壳很薄,质量仅几克,与试样五百多克相比仅约1%,所以忽略了,上述的测试值已满足工程精度需求。

值得指出的是:作为蓄冷空调用蓄冷材料的有用蓄冷潜热必须限定在可与空调回水(12℃以下范围)进行热交换的范围,否则会发生错误。

例如,某公司将该同样蓄冷材料交给另外单位测量时,测得其相变热为200kJ/kg,几乎多出我们测定值的一倍。

经过我们用不同方法和改变熔化温限测定,发现了问题所在。

例如,用混合平衡法,初始用40℃的热水使蓄冷材料熔化,或电热平衡法的温限提高到33℃,其测试结果与某外单位测定值相近。

经用温差式热流卡计测试,发现该相变材料在18～22℃和26～32℃区还有相变潜热存在,当用高温水使之熔化后,这部分潜热值放出来了,但是高于12℃的显热值,在这种蓄冷空调中是不能被利用的,这一现象十分值得注意。

另外,顺便指出的是:复合盐PCM材料的老化现象,其中有一重要原因是表现在其低温熔解热向高温熔解热转化上。

4　结　论本文采用一种简易方法测试了蓄冷材料的相变温度和相变潜热,获得了较准确的结果,并分析了其优缺点,该方法简单易行,可用于工程上测量相变蓄冷材料的热物性。

特别指出了空调用蓄冷材料固-液相变潜热的测试,一定要在满足空调用的温度范围内进行测定,否则要发生错误。

参考文献:[1]陈则韶,葛新石,顾毓沁.量热技术及热物性测量[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1991.[2]CHEN Z S,Et a l.A resear ch o n measur ement ofmelting po int and hea t of fusio n of medium of accumulatio n o f co ld[A].Pr oceedings of the3rd A sian T her mophysical Pr oper ties Co nference[C].Beijing.P R China:Hig h Education P ublishing House,1992.516-520.[3]李余增.热分析[M].北京:清华大学出版社,1987.[4]CA NT OR,S.A pplications o f D SC(D ifferential ScanningCalo r imetr y)to the st udy of ther mal energ y stor age[J].T her mochimica Acta,1978,26.作者简介:方贵银(1963-),男,博士,副教授,主要研究方向是蓄冷空调技术和汽车空调技术,先后参加了多项科研课题的研究,公开发表了多篇科研学术论文。