蓄冷空调新型相变蓄能材料热性能研究

1、蓄冷空调新型相变蓄能材料热性能研究方贵银, 徐锡斌(南京大学物理系低温教研室, 江苏南京210093摘要:通过实验分析了空调蓄冷材料的凝固点、融点、融解热和相变过程中的热稳定性等热学性能。在热分析中, 用示差扫描量热仪(DSC 来测定蓄冷材料的融解热, 温度传感器用来测定蓄冷材料的凝固点和融解点。通过热分析寻找到了一种新型蓄冷材料, 其测试结果表明:该蓄冷材料是蓄冷空调系统中一种高效的蓄冷材料。关键词:热学性能; 相变蓄能材料; 蓄冷空调中图分类号:O552. 4+; TM925. 12文献标识码:A 文章编号:1006-7086(2002 03-0140-04STUDY ON THERMAL

2、 PROPERTIES OF NEW PHASE CH ANGE MATERIALFOR COOL STORAGE AIR CONDITIONING SYSTEMF ANG Gui -yin , XU Xi -bin(Depar tment of Physics , Nanj ing Univer sit y , Nanjing 210093, China Abstr act :The therma l pr oper ties include fr eezing point, melting point , the heat of fusion and ther mal stabilit y

3、dur ing the phase cha nge pr ocess ar e investigated . In t he analysis , the Differ ential Sca nning Calor imenter (DSC was used t o determine t he heat of fusion of the cool storage mater ials. The temper ature sensor was used to deter -mine t he freezing point and melting point of the cool st or

4、age mater ials . T he new cool stor age mat eria l was found by therm al analysis . The results show that the cool st or age mater ial can be considered as an efficient cool storage ma-terial for cool stor age air condit ioning system.Key wor ds :therma l properties ; phase change ther mal ener gy m

5、ater ial ; cool stor age air condit ioning1引言蓄冷是指在夜间电网低谷时间, 制冷主机开机制冷并由蓄冷设备将冷量储存起来, 待白天电网高峰用电时间再将冷量释放出来满足高峰空调负荷的需要。这样, 制冷系统的大部分耗电发生在夜间用电低谷期, 而在白天用电高峰期只有辅助设备在运行, 从而实现用电负荷“移峰填谷”。根据蓄能介质的不同, 蓄冷系统可被分为水蓄冷、冰蓄冷和共晶盐蓄冷等几种类型。由于蓄冷介质水的热学性能较好以及价格低廉, 它被广泛应用在蓄冷系统中。水蓄冷是利用蓄水温度在07之间的显热进行蓄冷, 它可以使用常现的空调机组, 可实现蓄冷、蓄热双重用途。蓄

6、冷和释冷运行时冷水温度相近, 空调机组在这两种运行工况下均能维持额定容量和效率, 但水蓄冷是利用其显热来蓄存冷量的, 它具有蓄冷密度低、蓄冷槽体积大及槽内不同温度的冷水易混合等缺点。冰蓄冷是利用水的相变凝固潜热来蓄存冷量的, 其相变潜热大(334kJ/kg , 但冰蓄冷的相变凝固点较低(0 , 且蓄冰时存在较大的过冷度(46 , 为了蓄存冷量, 空调机组必须运行在较低的工作温度范围(-10-8 , 这样就势必造成了空调机组的效率下降, 空调机组在蓄冰工况的效率一般只有空调工况的70%。另外, 在空调工况和蓄冰工况时要配置双工况制冷主机, 增加了系统的复杂性。共晶盐蓄冷的优点是其相变温度与空调主

7、机的蒸发温度相吻合, 选用一台空收稿日期:2002-06-03基金项目:南京大学分析测试基金和人才培养基金项目。作者简介:方贵银(1963- , 男, 安徽省望江县人, 博士, 从事制冷低温与蓄冷技术研究。140真空与低温第8卷第3期调主机即可进行制冷、蓄冷共况运行。缺点是其蓄冷密度较低(其融解热一般都低于80kJ /kg , 相变疑固时存在过冷现象, 且材料易老化变质、蓄冷性能易发生衰减等1, 2。如果蓄冷材料的相变温度在59范围, 该材料就能被应用到蓄冷空调系统中。作者通过实验研究了一种新型相变蓄冷材料, 用示差扫描量热仪(美国Per kin-Elmer 公司的Pyris 1DSC 和温度

8、传感仪器测试了该材料的相变热、凝固点、融解点以及相变过程热稳定性等热学性能。2实验部分2. 1蓄冷材料的凝固点和融解点将10mL 的蓄冷材料装入一试管中, 在一烧杯中装有一些冰水混合物, 使其温度保持在0。然后将试管浸入烧杯中, 并将温度传感器插入试管内, 蓄冷材料的温度变化值通过温度检测仪器被连续地记录下来。测试过程中, 蓄冷材料的温度将持续下降直至其凝固点。在凝固点附近, 其温度基本保持不变。在整个蓄冷材料都被冻结后, 其温度还将进一步下降。凝固实验结束后, 将试管放入一个盛有水(室温 的烧杯中, 试管内的蓄冷材料温度开始慢慢上升直至其融解点。在融解点范围内, 其温度上升减缓, 当整个蓄冷

9、材料都融解完后, 其温度将迅速上升。2. 2蓄冷材料的融解热蓄冷材料的融解热采用美国Perkin -Elmer 公司的示差扫描量热仪Pyris 1DSC 进行测试。该仪器采用铟作为标准样品, 待测样品被密封在一个铝皿里, 试样降温过程由一个两级制冷系统完成。试样降温过程从50降至-50, 其降温速率为10/min; 试样升温过程从-50升至50, 其升温速率为10/min 。首先, 在DSC 中将样品冷却到其融点温度以下, 然后以恒定的速率加热, 标准样品的温度也以恒定的速率增加。如果待测样品不发生相变, 那么待测样品和标准样品之间的温差将产生一条近似的水平线; 如果待测样品发生相变, 那么两

10、样品之间的温差将产生一条偏离直线的曲线。直线和曲线之间的面积表示发生相变时所消耗的能量, 该面积可由DSC 中的计算程序自动积分求出3, 4。2. 3蓄冷材料的热稳定性为了测试该蓄冷材料的热稳定性, 首先将其冷却到凝固点以下, 然后再加热到25, 这样反复进行冷却、加热循环60次(条件允许还可多进行一些加热冷却循环测试 , 来判定其凝固点是否发生改变。3结果与讨论图14所示为蓄冷材料A 、B 、C 、D 融化过程的DSC 曲线。由图1可以看出, 蓄冷材料A 只有一个吸热峰, 起始融化温度为5. 24, 测试样品量为3. 253mg, 其吸热峰面积为723. 737mJ, 则其融解热为222.

11、483kJ /kg 。从图2可以看出, 蓄冷材料B 也只有一个吸热峰, 起始融化温度为6. 63, 测试样品量为3. 226mg , 其吸热峰面积为101. 502mJ, 则其融解热为31. 464kJ/kg 。由图3可以看出, 蓄冷材料C 只有一个吸热峰, 图1蓄冷材料A 融化过程的DSC 曲线 图2蓄冷材料B 融化过程的DSC 曲线141方贵银等:蓄冷空调新型相变蓄能材料热性能研究 图3蓄冷材料C 融化过程的DSC 曲线 图4蓄冷材料D 融化过程的DSC 曲线起始融化温度为-1. 42, 测试样品量为1. 656mg, 其吸热峰面积为177. 895mJ, 则其融解热为107. 424kJ

12、/kg 。由图4可以看出, 蓄冷材料D 有2个吸热峰, 起始融化温度为7. 43, 测试样品量为1. 632mg, 其吸热峰面积为192. 373mJ , 则其融解热为117. 870kJ /kg 。分析可知, 蓄冷材料A 、B 和D 可满足空调蓄冷温度的要求, 其相变温度都在58范围内。但从融解热的大小考虑, 只有蓄冷材料A 和D 能满足要求。由于蓄冷材料A 的融解热大于蓄冷材料D 的融解热, 且只有一个吸热峰(亦即只发生一次相变 , 因此, 选用蓄冷材料A 作为新型蓄冷空调蓄冷材料。该蓄冷材料的相变潜热比一般的无机水合盐要大, 且其相变温度要高于冰的凝固点。因此, 该蓄冷材料可被应用到蓄冷

13、空调系统中。图5和图6所示分别为蓄冷材料A 凝固过程和融解过程中的温度变化曲线。图5表明该蓄冷材料的凝图5蓄冷材料A 凝固过程温度变化 图6蓄冷材料A 融解过程温度变化图7蓄冷材料A 在加热和冷却循环过程中其凝固点的变化固点为5. 74. 2, 且无过冷现象发生。图6表明该蓄冷材料的融解点为5. 28. 4。由此可知, 该蓄冷材料的凝固点和融解点能够满足蓄冷空调工作温度的要求。图7为蓄冷材料A 在多次的加热和冷却循环过程中其凝固点的变化情况。由图7可知, 蓄冷材料A 的凝固温度变化范围较小, 其相变过程能够可逆且其性能没有发生衰减,这正好满足了蓄冷空调系统中蓄冷材料能反复使用的要求。4结论蓄冷

14、材料的相变温度和融解热分别由温度测量仪器和142真空与低温第8卷第3期示差扫描量热仪测得。通过对4种蓄冷材料的热性能分析, 最终确定蓄冷材料A 可作为新型蓄冷空调蓄冷材料, 其凝固温度为5. 74. 2, 融解温度为5. 28. 4, 融解热为222. 483kJ /kg 。由于该蓄冷材料具有较高的相变潜热、适宜的相变温度、无过冷现象以及较好的热稳定性, 因此可被应用在蓄冷空调中。参考文献:1ABHAT A. Low temperat ur e latent heat ther mal energy st or age:Heat stor age materialJ.Solar Energy,

15、 1983, 30(4 :312332.2F AR ID M M . Per for mance of direct contact latent heat st or age unite with two hydrate salt J .Solar Ener gy , 1994, 52(4 :179-184.3FELDM AN D, SHAP IRO MM , BANU D, et a l . F atty acids and their mixtures as phase change materials for thermalenergy storageJ. Solar Ener gy

16、Mat etial, 1989, 18:201216.4CANT OR S . Application of DSC to the study of thermal energy stor age J .T hermochemica l Act a , 1978, 26(6 :3946. 撰写参考文献须知为了使本刊编排格式更加规范化, 以便于中国学术期刊(光盘版 及中国学术期刊综合评价数据库来源期刊的收录, 更广泛地进行国内外学术交流, 本刊要求论著文章中参考文献一律采用我国科学技术书刊中所普遍使用的“顺序编码制”, 现将撰写要点简述如下:一、正文中标注格式:采用顺序编码制时, 在对文中所引用

17、的文献, 按它们出现的先后顺序依次连续排序, 并将序号置于方括号内, 标于上角标或作为语句的组成部分。例如:国内外学者对此进行了长期研究13。按文献4提供的参数设计制作出样机。二、文后参考文献表的撰写格式:在文后撰写参考文献表时, 各条文献应按在论著中文献序号顺序排列, 文献中项目一定要完整, 内容一定要准确。应根据不同的文献类型分别加以著录。各类文献的标引项及顺序要求为:1 专著:著者(多名著者时, 应标引至少三名著者姓名. 书名. 版本. 出版地:出版者, 出版年. 起止页码。2 期刊:作者(多名作者时, 应标引至少三名作者姓名. 题名. 刊名, 年, 卷(期 :起止页码。3 论文集:作者(多名作者时, 应标引至少三名作者姓名. 题名. 编者:文集名, 出