相变空调系统

相变空调系统（精选七篇）

相变空调系统 篇1

能源是有限的, 能耗是持续的, 节能降耗已经成为全社会关注的热点。据统计分析, 中国移动的电能消耗中, 基站能耗约占73%, 而基站中约46%的能耗是空调电耗, 因此在节能减排工作中以降低基站电耗为重点。蓄电池是基站内部对温度要求最高的设备, 它的最佳工作温度为25℃±5℃, 一般基站使用大功率空调长时间运行来保证此温度, 而基于相变材料的智能温控节能系统则以一种全新的方式来控制温度稳定在此范围。目前国内同类技术的研究处于起步阶段, 尚未形成实用化产业化的成熟技术。

1 相变材料

由于能源短缺, 利用热能存储技术解决热能供给和需求失配矛盾, 是提高能源利用率和保护环境的重要技术。相变储能材料是指在一定温度范围可改变物理状态的材料, 它以环境或系统的温度差为推动力, 实现能量的储存与释放。本智能温控节能系统采用固-液相变材料, 当外界温度达到或高于熔化温度时, 就产生从固态到液态的相变, 熔化的过程中, 相变材料吸收并储存大量的热量;当外界温度达到或低于相变材料的冷却温度时, 储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去, 进行从液态到固态的逆相变。在这两种相变过程中, 所储存或释放的能量称为相变潜热。物理状态发生变化时, 材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变, 但吸收或释放的潜热却相当大。

2 工作原理

智能温控节能系统是围绕延长蓄电池使用寿命, 节约电能而开发的, 系统由各种传感器件、数据采集部分、计算机控制部分和专用控制软件等构成, 具体如图1所示。根据设定的温度值控制加热器, 空调, 风扇工作, 使温度稳定在设定的恒温范围之内。

蓄电池和相变材料同处于保温柜中, 和外界温度隔离。当柜内的温度处于设定的恒温范围时, 维持温度恒定的各种电控设备关闭, 此时相变材料维持在固态。

当柜内温度升高时, 相变材料吸收热量, 使温度维持恒定, 在相变材料吸收的热量达到饱和, 即完成从固态到液态的转变, 而温度仍继续上升, 系统便将柜内温度与外界温度进行比较, 从而控制相应的电控设备。当柜内温度高于外界温度 (设定数值) 时, 系统将开启换风通道, 使柜内直接和外界相通, 将内部的热量散发到外界环境, 直至温度稳定在设定的恒温范围内。当柜内温度低于外界温度时, 系统将开启加热设备, 单独对柜内的电池和相变材料进行升温控制, 直至温度稳定在设定的恒温范围内。

当柜内温度降低时, 低于外界温度 (设定数值) 时, 系统将开启换风通道, 使柜内直接和外界相通, 将外部的热量引入到柜内, 直至温度稳定在设定的恒温范围内。当柜内温度高于外界温度时, 系统将开启制冷设备, 单独对保温柜柜内的电池和相变材料进行降温控制, 直至温度稳定在设定的恒温范围内。

3 控制流程

系统在对各种电控设备进行控制时, 将不断对柜内和外界的温度进行采集, 根据两者的温差预置值来实时控制相应的电控设备。具体控制流程如图2所示, 流程分为温度上升和温度下降两种, (a) 为温度上升控制流程, (b) 为温度下降控制流程。从流程可以看出, 通过相变材料储能转换, 柜内与外界进行热能交换, 降低制冷设备、加热设备的工作时间, 使电池温度恒定, 既延长了电池的寿命, 又节约了电能。

4 节能效果

本系统提供一种通信基站降低能耗的解决方案, 通过热能存储和转移, 减少了制冷加热设备的启动时间和次数, 维持基站温度处于最佳范围, 保障通信数据顺利传输, 试验结果表明, 最高节能效果达到60%。一个基站按照3匹空调一天运行20小时来计算, 每天耗电50度, 如果配备本节能系统则可节约30度电, 电价按0.6元/度计算, 一天节约资金18元, 目前湖南省约有通信基站2万个, 如果每个基站都配备本节能系统, 则一天就可节约资金36万元。根据《2011-2015年中国移动通信基站产业评估与发展盈利预测报告》, 近5年移动通信基站的年复合增长率在15%-20%之间。“十二五”时期, 随着“数字湖南”建设战略的推进, 信息化和新型工业化、农业现代化、新型城镇化实现进一步深度融合, 我省基站的年复合增长率预计会接近上限20%, 因此本节能系统是一项为湖南“四化两型”建设保驾护航的绿色技术。

5 结语

本智能温控节能系统提供一种通信基站降低能耗的解决方案, 通过相变储能材料与微电脑控制系统的结合, 吸收和释放由于太阳辐射、电子元件、电池发热产生的热量, 实现热能存储和转移, 维持基站温度处于最佳范围, 从而减少空调运行时间, 降低电能消耗, 达到节能减排、优化环境的目的。

参考文献

[1]沈学忠, 张仁元.相变储能材料的研究和应用[J].节能技术, 2006, (5) .

[2]迟洋, 强应海, 夏春.温控节能在通信基站中的应用[J].电信工程技术与标准化, 2010, (6) .

相变空调系统 篇2

关键词：分体相变加热炉,系统改造,节能减排

坪桥集中处理站现有WNS4-0.98-QT燃气蒸汽锅炉三台, 负责处理站生产供热、值班室和泵房供暖及坪桥作业区生活区供暖;3 500kW高效稳定加热炉一台, 负责进站来油的稳定加热。

站内加热生产设施主要有:10 000m3净化罐二具, 3 000m3沉降罐二具, 1 000m3净化罐三具, 200m3净化罐四具, 85.5m2浮头式换热器三具, 85.5m2浮头式外输换热器一具。

坪桥集中处理站供热系统共有二套:一套是稳定加热炉系统。净化油通过高效稳定加热炉加温, 使用来油换热器给进站含水原油换热;第二套是蒸汽锅炉系统。通过站内蒸汽管网给坪桥生活区、站内房间取暖、外输净化油和灌区保温伴热, 冷凝水经污水池回收外排。

一、存在问题

1. 使用蒸汽锅炉供热, 高温冷凝水未能有效利用, 大量热能被排放到污水池, 造成浪费。

2. 使用高温稳定净化油对进站含水原油进行换热, 循环加温, 来油稳定性差, 易导致净化油温度较高而结焦, 原油损耗大且能源浪费较大。

3. 存在两套供热系统, 生产效率低。

二、分体相变加热炉与系统改造

1. 使用分体相变加热炉代替蒸汽锅炉和高效稳定加热炉, 密闭流程, 杜绝能源浪费和水资源浪费, 减少锅炉水处理费用, 节能减排。

(1) 对每个换热单元进行单独热工计算, 该站热负荷见表1。

(2) 合理设计分体相变加热炉参数, 为减少站内热网改造内容, 设计为每台加热炉两台相变换热器共两组盘管, 含水原油及外输净化油使用外置换热器加温。

(1) 加热炉换热器一。来油加温及灌区伴热、外输净化油加温、集中处理站采暖及轻烃回收、装车站和卸油站采暖。由于管线较长, 加热炉进出口水温100℃/ (60～70℃) , 外置换热器进出口水温只能达到90℃/65℃, 考虑到热水管程热损失及二次换热效率, 取安全系数1.1, 则所需功率经计算冬天为3.67MW, 夏天4.30MW。

(2) 加热炉换热器二。用于作业区、消防队生活区供暖, 取安全系数1.1, 则实际功率为3.21MW。

按冬季运行设计, 则总功率为6.88MW。需3.5MW分体相变加热炉二台, 则单台加热炉换热器功率配比为:第一台1.87MW, 第二台1.63MW。

2. 系统改造。

通过上述热负荷计算, 更换二台3.5MW分体相变加热炉后, 可拆除原来三台蒸汽锅炉, 停用3.5MW高效稳定加热炉, 使用二台分体相变加热炉给整个热网提供热能, 优化热网系统效率, 密闭流程, 杜绝了热能与水资源浪费。

为了优化供热管网, 提出了两套方案, 并用系统工程理论对两个方案进行优化和对比。

方案一:使用加热炉换热器对站内各单元热负荷提供热能, 供热主管网形成环供管线回到加热炉换热器进口。

方案二:站内热负荷使用分水器, 两路主管道并联回到分水器, 降低水力损失, 增加热网的自适应性和可调节性。

通过对上述两个方案的优化对比, 经济流速选1.4m/s, 方案二比方案一减少1/4无缝钢管, 降低系统水力损失0.2MPa, 站内热网系统稳定性更突出, 具有优秀的热平衡自适应性和调剂功能, 因此最终选用了方案二。

三、经济性评价

改造前坪桥集输站冬季运行160天, 启用二台锅炉和一台稳定加热炉, 夏季运行200天, 启用一台锅炉和一台稳定加热炉, 锅炉日消耗热水65t/台, 改造后冬季启用二台加热炉, 夏季启用1台加热炉, 稳定加热炉始终关停, 密闭流程, 热水损耗可忽略不计。

1. 分体相变加热炉热效率高, 节约燃料。

按天然气热值10kW·h/m3, 夏天热负荷3.91MW, 冬季热负荷6.26MW, 计算则改造前年消耗天然气577.7×104m3, 改造后年消耗天然气536.4×104m3。年节约气源的价值 (按1.7元/m3天然气计算) 70.21万元。

2. 使用密闭流程, 杜绝高温冷凝水外排和二次热量损失。

经改造年可节水3.64万t, 同时年减少软化水处理用工业盐30t (0.1万元/t) , 水费按1元/t计算, 则年节水费3.64万元, 年节盐费3万元, 共计6.64万元/年。

3. 锅炉冷凝水外排热能浪费的计算:

冷凝水温度70℃, 夏季锅炉上水温度25℃, 冬季锅炉上水温度5℃, 则改造前锅炉高温冷凝水年带走热量损失为47万元。

4. 投资回收期。

综合上述经济性分析, 年可节约123.85万元, 二台3 500kW分体相变加热炉投资130万元, 可算出投资回收期不足13个月。

四、结束语

相变空调系统 篇3

1.1 热源及用热设备

热源采用2台SHG1-0.7-AⅡ型煤蒸汽锅炉,上锅筒内设置汽水分离装置,蒸汽近于干饱和。燃烧方式为双炉排反烧,上炉排为水冷炉排,下炉排为手摇活动炉排。设计燃料为Ⅱ类烟煤,煤质指标见表1,锅炉热效率≥70%。

用热设备分为炊事,洗浴、开水三类,其功率分别为1 892 kW、1 600 kW、1 400 kW,其中炊事设备同时率约0.8。在锅炉满出力情况下,用热设备采用错峰运行,以满足不用用户需求。

运行煤种:取自《太原市锅炉用清洁型煤》[1]主要理化指标。*为强制性指标。

1.2 系统特点

该供热系统中蒸汽锅炉与炊事、开水、浴水设备等构成封闭循环系统,其中配置0.76 m3集液箱1台,1.5 kW的高温循环泵3台(1台备用)。系统中不设置水处理设备,而是在循环工质中添加FS高效换热介质消除结垢。运行表明系统管壁无结垢现象,而且在系统无滴漏和超压时,不需排污(只有当补水量累计达250 kg后才需排污一次),从而确保了系统的正常稳定运行。系统与用热设备为间壁式换热,确保了用热设备产生的蒸汽或热水无污染,而且被加热工质进入用热设备前经过DS-GP系列电子式或YQC系列强磁式水处理器处理,确保了被加热侧的换热强度。由于用热设备换热结构(图1)和回水管路上无换热设备以及回水管路和集液箱低位布置(图2)等特点,系统蒸汽通过相变放热实现对用热设备工质的加热。凝结下来的高温水回流至集液箱后通过高温循环泵送回锅炉重新汽化,如此周而复始。含管道、辅助设备、用热设备在内的系统散热损失在2%～3%,因而供汽和回水温差较小。即使由于排气和泄露造成循环水量缺失,补水也取自开水器中的常压开水,从而确保了供汽的连续性和运行参数的稳定性。

2 热利用分析原理

2.1 热功率

工业锅炉常用热功率表示其供热能力和容量大小。对生产蒸汽的工业锅炉其热功率按文献[2]或文献[3]计算。本系统的换热特点是相变换热且上锅筒内设置汽水分离装置,蒸汽近于干饱和蒸汽,故在热功率计算中只考虑汽化潜热。本文将利用汽化潜热计算的热功率称为系统实际可用热功率,而将按设计给水温度20℃时计算的锅炉额定热功率称为最大可用热功率。

2.2 换热

设备或系统的换热满足热平衡Q放=Q吸+Q散,其中Q散=0.03Q放。由于本系统蒸汽锅炉生产的蒸汽近于干饱和蒸汽,且为相变换热,故Q放的焓变等于运行压力下的汽化潜热。本系统吸热侧均为常压水,20℃时水的密度ρ=1 000 kg/m3。换热强度用换热平均温差[2,3,4,5]表示。

3 供热不足原因分析

3.1 供热能力

锅炉额定工作压力0.7 MPa,系统设计运行压力0.4 MPa,由于用热设备、分汽缸、管道等最高工作压力为0.39 MPa,故锅炉运行压力整定为0.35 MPa,运行中控制压力在0.25～0.35 MPa。

由图3可见,锅炉最大可用热功率随工作压力的升高而升高。在0.25～0.35 MPa时,锅炉最大可用热功率Qmax为732～736 kW/炉,即使锅炉运行压力为0.13 MPa,最大可用热功率Qmax仍达723.7 kW/炉。但对相变换热的封闭系统,锅炉实际可用热功率却随压力的升高而下降,这是由于水的汽化潜热随压力的升高而下降。从这个意义上讲,适当降低运行压力,有利于放出更多的相变热,但压力在0.13～0.35 MPa范围内,锅炉实际可用热功率Qact为597～622 kW/炉,封闭系统实际可用热功率为1 194～1 244 kW,与炊事,洗浴、开水用热功率有较大差距。热功率的大小由供汽量和焓差决定,在供汽量一定时,只能通过增加焓差(即汽化潜热)提高热功率,必然导致供汽压力下降,蒸汽品质下降。锅炉在满出力情况下同时向炊事设备(不含蒸汽发生器)和2个开水器供热时,供汽压力由0.3 MPa降至0.13 MPa就是例证。

根据炊事和开水一天用热3次,洗浴一天用热1次以及用热时间段和同时率特点,最小同时用热功率实际达到2 113.6 kW。按运行控制压力0.25～0.35 MPa计,锅炉蒸发量最小应为3.7 t/h。

最大可用热功率;实际可用热功率

供汽温度;回水温度

3.2 换热强度

用热设备均为汽-水换热,被加热水初始温度按20℃计,开水器和炊事设备终温为100℃,浴水换热器终温为55℃。放热侧在相变放热中温度不变。

由图4可见,供汽温度随工作压力下降而下降,运行压力为0.35、0.25、0.13 MPa时,开水器和炊事设备的平均换热温差Δtm为72℃、58℃、32℃。虽然降低压力有助于弥补热功率不足,但会带来换热强度下降。系统设计在锅炉满出力且只对开水器供热时,运行约0.8 h可提供10 t开水,但试验表明运行压力虽可保持在约0.29 MPa,但达到开水状态用时1.8 h,其中升高到50℃用时0.7 h,从50℃升温到100℃用时1.1 h,而在同时向炊事设备(不含蒸汽发生器)和一个开水器供热时,系统压力下降到0.22 MPa,开水器中水升温到50℃用时0.75 h,而从50℃升温到100℃用时2.25 h。可见,换热温差减小,换热强度会降低,尤其是加热后期,吸热侧工质温升减慢,加热时间延长,同时,由于系统运行的连续性,导致蒸汽汽化潜热不能全部释放,回水带汽及蒸汽循环次数增加,热利用率下降。

3.3 煤耗、电耗

与开式系统相比,闭式循环相变换热系统回水温度高。锅炉在0.20～0.35 MPa运行时,回水温度比开式系统给水温度(按20℃计)高出81～100℃,从而在同样负荷、压力、热效率和煤质时,煤耗下降,但由表2可见,随供汽压力下降,节煤量减少。

由于锅炉实际可用热功率不足,以及换热强度下降等,导致蒸汽循环次数增加,锅炉运行时间延长,达到约20 h/d,比设计运行时间多约10 h/d。锅炉每年运行约250天,每小时平均煤耗按148 kg计,2台锅炉每年总计多耗型煤740 t。每吨型煤460元,多支出费用34万元/年。

系统1炉配置1台高温循环泵,功率为1.5 kW。因锅炉每天多运行10 h,而多耗电15 kWh。按0.528元/kWh计,每年多支出电费3 960元。

若锅炉供汽量增加为3.7 t/h,每天运行10 h,每小时平均煤耗按146 kg计,年运行煤耗比目前情况少约130 t,节能显著。

备注:1.Qar,net=23.04 MJ/kg取自锅炉实际燃煤;2.本系统锅炉实际热效率高于70%。

4 结论

(1)对封闭循环相变换热系统,供热设备应按照实际可用功率与用热设备进行匹配,否则会出现供汽压力低等供热能力不足现象。

(2)在供气量一定时,降低供汽压力虽有助于弥补热功率,但会造成蒸汽品质、换热强度和热利用率下降,锅炉运行时间延长,煤耗、电耗增加。而提高压力又会减少汽化潜热量。因此,锅炉蒸发量应有一定调节余量,才能使热功率和换热得到较好配合。

(3)本供热系统锅炉蒸发量和实际可用功率不足是导致系统经济性下降的主要原因。增加锅炉容量是解决运行问题的主要技术措施。计算表明,本文所述系统锅炉供汽量最小应为3.7 t/h,与目前年运行煤耗相比仍可节煤约130 t。

参考文献

[1]太原市环境保护局,太原市质量技术监督局.DBl4/133-2005太原市锅炉用洁净型煤标准〔S〕.太原:山西省质量技术监督局,2005.

[2]奚士光,吴味隆,蒋君衍.锅炉及锅炉房设备(第三版)〔M〕.北京:中国建筑工业出版社,2003:3-52.

[3]杜渐.锅炉及锅炉房设备〔M〕.北京:中国电力出版社,2007:3-35.

[4]章熙民,任泽霈,梅飞鸣.传热学(第四版)〔M〕.北京:中国建筑工业出版社,2005:269-277.

相变空调系统 篇4

关键词：矿场油气集输,相变加热炉,工艺技术,炉效,低碳减排

引言

油田用加热炉是矿场油气集输中的重要设备之一, 尤其是油田进入高含水期的稠油开发和天然气开发中, 加热炉显得更为重要。一般单台1750kW的加热炉年耗气量为55m3/a, 普通联合站配备的加热炉数量为10台左右, 每年总耗天然气量为438万m3/a, 废气排放量5711.5万m3, 耗能量和废气排放量大。

目前, 由于老油田使用的老式水套式加热炉和绹纤毡加热炉年限较长, 加热炉主要存在设备老化情况 (平均新度系数0.41) , 腐蚀严重, 普遍存在能耗高、效率偏低、燃烧不充分、炉内腐蚀结垢等问题。此外, 老式水套炉基本没有自动调节功能, 不能随着加热介质流量的大小进行温度调节, 很容易出现烧高温或加热不足的问题。因此, 关注油田用加热炉技术和发展对安全生产、节能和提高生产效率具有非常重要的意义。

1 相变加热炉的原理和结构

相变加热炉主要由锅壳式蒸汽发生器、加热盘管、自动燃烧器、自动控制系统、操作间组成。锅壳式蒸汽发生器额定工作压力通常为-0.03～0.01MPa, 锅壳上都有适当的蒸汽空间。加热盘管置于蒸汽空间内, 管壳内运行被加热介质, 用原油或天然气作为燃料, 通过燃烧器燃烧产生热量使锅筒内水沸腾汽化, 水蒸气上升遇到低温盘管外壁, 释放大量汽化潜热, 变成冷凝水回落到锅壳内继续被加热, 反复循环。

自动燃烧器输出的热功率受锅壳内蒸汽温度和盘管介质出口温度反馈控制。当锅壳内达到上限温度时, 控制燃烧器停止燃烧, 当锅壳内温度低于下限温度时, 燃烧器自动启动燃烧。整个换热是利用潜热, 且在微负压工况下运行, 所以加热过程高效安全。相变加热炉内部结构工作图如图1所示。

2 相变加热炉的技术特点

2.1 相变传热技术

利用水的相变传热技术, 中间传热介质水在封闭状态下运行, 极少损失不需经常添加。这样系统可在无氧无垢状态下运行 (不在炉内形成垢层、避免氧腐蚀) , 提高加热炉的使用寿命。

2.2 蒸汽发生器

蒸汽发生器采用新型火管炉体结构, 应用高效传热元件—螺纹烟管, 配以合理的烟气流速, 受热面不会在运行中发生积灰, 因此可保证加热炉热效率不会因运行时间延长而降低。拱形管板、螺纹烟管使锅壳由准刚性体变为准弹性体, 配合翼形烟道, 避免传统烟火管锅炉高温管板开裂的弊病。

2.3 蒸汽换热

采用蒸汽换热, 温度范围在100～170℃, 增加汽化潜热的能量传递, 可以有效地提高换热能力。蒸汽发生器与管壳式换热器上下安装, 依靠重力作用实现水的蒸发、冷凝、回落、再蒸发的自然对流, 无需外界动力, 运行成本很低。

2.4 控制系统

采用一体化结构配置及自动化技术控制与监测技术的应用方式, 有效改善了加热炉的运行控制。实践证明, 自动化控制实现了自动吹扫、供空气、自动点火、燃烧、自动停机和启动。减轻工人劳动强度、提高设备的安全性。自动控制运行参数, 可使燃料利用率达到99.5%以上, 加热炉效率达88%～95%, 方便操作, 具有远程控制功能;控制系统防置在专用的板房内, 生产介质温度可精确控制。应用监测技术实现了熄火保护、低水位保护、超温超压保护等, 保证设备安全运行。

2.5 模块化结构

采用分体式结构, 加热器 (产生蒸汽) 和换热器两个系列的模块组, 在一定条件下, 一个加热模块可以带多只换热器, 完成多种介质的加热。

3 现场使用情况及效果

3.1 应用情况

辽河油田金马油田开发公司针对外输加热炉自动调节差、能耗高、热效率低的现状, 在辽河油田公司首次引进并规模应用自控相变加热炉, 实现远程监控, 采用目前油气集输领域最为高效的水蒸气相变间接加热技术, 可根据不同的加热需求使用不同温度的饱和水蒸气 (温度范围一般为100～170℃) 。并采用成本低廉的水作中间传热介质, 在封闭状态完成受热蒸发和换热冷凝。运行中极少补水, 因此炉体受热面不会结垢, 因此使加热炉受热面始终保持很高的传热系数, 加热炉热效率达88%～95%。

2008年以来, 在金马油田矿场油气集输系统的采油站和联合站共安装使用相变加热炉67台。从运行情况看 (见表1) , 基本达到了该炉改造的预期目标, 加热炉热效率由原来的77.6%提高到目前的90.3%, 提高12.7个百分点, 平均每个月节气30.9694万m3, 减少废气排放量403.8万m3, 累计节约天然气1114.9万m3, 累计减少废气排放量1211.4万m3。

3.2 经济效益分析

相变加热炉热效率平均值在90%以上, 且排烟温度、空气过量系数等指标达标, 充分显示出加热炉高效、低碳、节能和环保的特点。其热效率达到91.6%, 比同等功率的老式常压热水锅炉热效值高出近20个百分点, 根据气表计量, 使用67台相变加热炉年可节气371.6328万m3, 减少废气排放量4846.1万m3。按现行的天然气价格0.68元/m3计算, 年可增效252.7万元。

4 结语

辽河油田金马油田开发公司矿场油气集输系统加热炉的低碳化改造采用相变加热式水蒸气导热技术, 目前该炉的运行状况达到了原设计要求的各项指标, 节约天然气量可达到20%。

1) 一炉多用。

每台加热炉可设置3种盘管, 为3种不同的介质进行加热, 减少了加热炉的数量, 减少了占地面积。

2) 不结垢不腐蚀。

真空加热炉通过沸腾蒸发水蒸气的携带作用, 排除系统内的不凝气体, 然后封闭运行, 无氧腐蚀。锅壳内的水在封闭状态下运行损失极少, 不需经常添加, 即使采用普通的井水, 也不会结垢。由于系统处于无氧状态下运行, 无氧化腐蚀, 寿命长。

3) 热效率高。

真空加热炉采用相变换热, 利用水蒸汽的潜热, 可获得较高的传热效率。

4) 低碳减排。

该技术的使用有效地节约了燃料的使用量, 减少了废气的排放量, 实现了低碳减排的要求。

参考文献

[1]陈涛平, 胡靖邦.石油工程[M].北京:石油工业出版社, 2000.

[2]廖周川, 张晓芳.全自动节能燃气火管炉在冷家油田的应用[A].工程技术交流会文集[C].沈阳:东北大学出版社, 2002.

[3]Q/SY LH0314-2009, VH、DH、XG系列真空相变加热炉操作规程[S].中国石油天然气集团公司辽河油田公司质量节能管理部, 2009.

[4]马强.自控技术在金马油田二次开发中的应用[A].第三届全国特种油气藏技术研讨会优秀论文集[C].沈阳:辽宁科学技术出版社, 2008.

相变空调系统 篇5

目前常用的相变储能材料主要包括无机相变材料和有机相变材料两大类。绝大多数无机相变储能材料对建筑结构具有腐蚀性而且在相变过程中具有过冷和相分离的缺点,限制了其应用范围。有机相变储能材料无腐蚀性,在相变过程中几乎没有相分离,而且化学性质稳定,但是绝大多数在温度上很难满足建筑领域的需求。近年来,国内外主要研究了石蜡烃,脂肪酸,多元醇类有机相变材料在建筑节能中的应用[2]。有些正烷烃的熔点接近人体舒适温度,相变焓大,但掺入建筑材料中会在材料表面结霜。另外其他有机相变材料的相变温度也很难满足建筑领域的需求。为了克服单一的有机相变材料存在的缺点,相变材料的研发必然要走二元或多元复合的方向[3]。本文主要研究了癸酸与月桂酸复合做相变材料,并对其相变性能做了相关研究。

1 实验部分

1.1 原材料

癸酸和月桂酸,来自重庆三瑞化学品有限公司,基本性能指标见表1。

1.2 试验方法

温度曲线法能给出物料熔化或凝固过程的加热或冷却曲线,通常称为步冷曲线。仔细地控制加热或冷却速率,可得到比较准确的熔点或凝固点。在凝固过程中可能会有过冷现象出现[4]。故利用步冷曲线法测定PCM的凝固点及过冷程度。

测试步骤:配制不同组分的癸酸-月桂酸混合物试样,将适量混合物试样倒入试管中,置于高温水浴中熔化、摇匀。然后将试管放入装有冷却水(冰水混合物)的烧杯中,同时使用便携式精密数字温度计(精确度为0.1℃)记录冷却时间和温度,间隔时间为15s(见图1)。当混合物完全凝固时,停止试验。最后将实验过程中记录的温度为纵坐标,时间为横坐标,绘制步冷曲线,并根据相图与冷却曲线的对应关系示例(见图2)绘制T-X相图。

2 癸酸-月桂酸二元体系的储热配方与热物性研究

癸酸、月桂酸属于饱和脂肪酸,用于能量储存具有储能密度大、相变性能稳定、结晶相变无过冷等优点。从表2.1可以看出,月桂酸的相变潜热较大且相变温度较高,根据溶液理论,在月桂酸中加入适量的癸酸可使混合物的相变温度符合室内舒适温度范围。根据癸酸-月桂酸二元体系相图(图3)[5]可以看出癸酸、月桂酸可以形成相变温度在25℃~30℃的复合相变材料。

本文将采用癸酸和月桂酸制备二元复合相变材料。利用施罗德公式计算癸酸-月桂酸二元体系的理论相变温度,用步冷曲线和DSC分析对理论相变温度和实际相变温度进行对比,验证理论公式的可行性。

2.1 相变温度和相变潜热的预测

2.1.1 相变温度的预测

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,这样的混合物称为低共熔体系。对于癸酸-月桂酸低共熔体系,可以采用施罗德(schroder)公式[6]计算不同癸酸与月桂酸混合比例下的相变温度:

假设癸酸-月桂酸体系中癸酸的摩尔分数分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%,按照式1计算出理论相变温度见表3,其中10%~60%以月桂酸为溶质进行计算,70%~90%以癸酸为溶质进行。

2.1.2 步冷曲线与二元有机相图

配制癸酸摩尔浓度分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%的癸酸-月桂酸体系,采用步冷曲线法测其随时间变化的温度,结果见表2。

根据表2绘制步冷曲线,如图4所示。

步冷曲线表示样品在凝固过程中随时间变化的温度,当降到某一温度时,样品开始结晶,结晶过程中温度趋于稳定值,这一稳定温度即为样品的凝固点。当样品全部凝固后,温度开始进一步下降。将图4步冷曲线中每一组分下的体系的稳定温度作为凝固点,并将其与理论计算温度进行比较,见表3。

从表2可以看出不同组成下癸酸-月桂酸的相变温度与理论相变温度相差在0.5℃左右,故癸酸-月桂酸的相变温度可以根据公式1预测。

将图4绘制成T-X相图,如图5。

从图5可以看出,癸酸与月桂酸复合可以形成二元低共熔体系[7]。在癸酸含量为68%时,癸酸-月桂酸达到低共熔点,为19.8℃。在此组分之前,体系的结晶温度随着癸酸所占百分比增大而降低;之后,体系的结晶温度随癸酸所占百分比增大而升高。

在癸酸含量为40%~80%时,体系的相变温度在20℃~25℃左右,这正是人体热舒适感的最佳温度范围。若将相变材料应用于建筑节能领域中,用于控制建筑物室内的温度波动,首先必须要满足的条件是PCM的相变温度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。当外界环境温度高于热舒适点的温度时,相变材料熔化吸收环境中的热量,外界环境相应会降低;当外界温度低于舒适点温度时,相变材料会凝固从而向外界环境放热。利用相变材料的相变过程控制建筑物室内温度波动,可以减少能耗。因此从温度上讲,该混合物可以用作调节建筑物室内温度的相变储能材料。

2.1.3 相变潜热的预测

按照混合物熔解热的计算经验公式[8]对熔解热进行分析预测:

其中癸酸的Cpil=0.5210、Cips=0.5009,月桂酸的Cpil=0.5430、Cpis=0.5160。将DSC测得的癸酸、月桂酸的相变温度和相变焓及低共熔点Tm=19.8℃代入公式2,可得到摩尔比为68%:32%的癸酸-月桂酸体系的相变潜热为143.389J/g。证明了癸酸-月桂酸按一定比例混合后生成的混合物具有较高的相变热,可将其掺入保温隔热材料中用于制备高效节能型保温砂浆。

2.2 DS C分析核对

因考虑到相变温度计算值与试验值可能存在误差,因此试选不同百分比的癸酸与月桂酸混合,按照公式1计算得到混合物的相变温度,并用DSC测试进行校对。如果计算值与DSC测试值相差0.5℃,并具有较高的相变潜热,则认为公式1与DSC测试结果吻合,可用公式1计算配制具有合适相变温度的混合物。

本试验试选了摩尔比分别为60%:40%、50%:50%、45%:55%、40%:60%的癸酸-月桂酸混合物1、2、3、4进行DSC分析核对,DSC曲线见图6。

根据DSC曲线得出各个组分的相变温度和相变潜热,见表6。

测得的相变温度与计算的相变温度相差0.5℃左右,结合步冷曲线的结果证明可以利用施罗德公式来进行癸酸-月桂酸的储热配方设计。

2.3 储热配方的确定及二元体系的研究

本试验目的是配制25℃~30℃的复合相变材料,故将理论相变温度设为25℃~30℃。按照公式2.1计算出月桂酸的摩尔浓度为49%~57%,用于配制复合PCM的癸酸-月桂酸的储热配方如表5所示。将癸酸、月桂酸按照配方混合熔融后,测定混合物的密度和体积膨胀率,并用DSC分析混合物的相变温度和相变焓,结果见图7和表5。

从图7中可以看出,4种复合物的DSC曲线都符合典型的DSC曲线形式,而且都只有一个相变峰温度,说明各混合物的熔化过程是连续的,从而也验证了癸酸-月桂酸体系为二元低共熔体系。从表5与图7可以看出,随着癸酸比例的减少,相变温度和相变潜热都相应的增加。因为月桂酸的相变温度和相变潜热都高于癸酸,随着月桂酸含量的增加,混合物的相变温度和相变潜热也相应提高。

另外,4组复合物的相变潜热在121~127 J/g左右,皆低于纯癸酸与月桂酸的相变潜热(分别为145.5 J/g与162.832 J/g)。He Bo[9]等测量了不同比例正十四烷和正十六烷的相变参数,也出现了类似的结果。他们认为发生相变是导致相变潜热变小的原因。

从表5可看出四种试样的体积膨胀率在14%左右,本实验后续部分试验采用的多孔材料的孔隙率一般都在20%以上,故认为PCM的体积膨胀对多孔基体材料影响很小。而且它们的相变温度为25℃~30℃,相变潜热相对较高。

3 结论

(1)脂肪酸中癸酸与月桂酸混合可形成低共熔体系,低共熔点处的温度为19.8℃、癸酸的摩尔浓度为68%。

(2)验证了施罗德(schroder)公式用于癸酸-月桂酸储热配方设计的可行性。

(3)癸酸-月桂酸二元体系中癸酸摩尔浓度在40%~51%时,二元复合相变材料的相变温度为25℃~30℃,相变潜热为122~127J/g。

参考文献

[1]李小学.建筑用相变储能材料的研究进展.国外建材科技,2006,27(4):27-29.

[2]尚燕,张雄.相变储能材料的应用及研究现状.材料导报,2005(19):265-267.

[3]张奕,张小松,有机相变材料储能的研究进展.太阳能学报,2006,27(7).

[4]李志广,黄红军,张敏,等.相变储能材料十六醇-癸酸二元体系相变温度的测定.机械工程学院学报,2005,17(6):57-60.

[5]阮德水,张太平,等.相变储热材料的DSC研究[J].太阳能学报,1994;15(1):19～24.

[6]吉冈甲子狼,获野一善.物理化学计算[M].河南科学技术出版社,1981.

[7]周亚栋.无机材料物理化学[M].武汉:武汉工业大学出版社,2002:17～20.

[8]张寅平,苏跃红,葛新石.(准)二元共晶系融点和熔解热的预测.中国科学技术大学学报,1994,25(4).

相变材料及其选择 篇6

1 相变材料分类

相变材料总体上可以分为无机和有机两大类。

1.1 无机相变材料

建筑上常用的无机相变材料是盐的水合物。表1列出了部分无机相变材料及其物性参数。

注:表中符号“-”代表未获得参数。

总体上, 无机相变材料有如下的优缺点:

优点:单位体积储热能力强;价格便宜, 容易获得;相变所需时间短;热传导性好;不易燃。

缺点:相变前后体积变化大;过冷;有相分离现象。

1.2 有机相变材料

有机相变材料主要有石蜡、脂肪酸、聚乙二醇等。表2列出了部分有机相变材料及其物性参数。

总体上, 有机相变材料有如下的优缺点:

优点:较大的相变温度范围;凝结时无过冷现象;与传统的建筑材料兼容性很好;化学稳定性好;高的融解热;可循环使用;安全性好。

缺点:热传导性低;单位体积储热能力弱;易燃。

在众多的相变材料中, 我们最终要确定所使用的相变材料首先要考虑的因素是相变材料的热物性, 如相变温度、相变潜热、导热系数等。热物性的主要测量仪器是差示扫描量热仪。差示扫描量热仪可以测试材料的融化和凝固温度, 测量材料的融解热和凝固热等参数。

注:表中符号“-”代表未获得参数。

其次, 也要考虑相变材料长期使用的稳定性。要求相变材料在多次循环后保持组分和物性的稳定, 也要求相变材料不和建筑材料或容器间发生化学反应。

再次, 要考虑建筑物所在地区的气候条件, 要考虑利用该相变材料储能节能所使用的季节及温度。

2 结语

在综上考虑这些因素之后, 选出大致的范围, 再根据相应的仪器进行样本测试, 得出相应的参数, 为进一步的研究创造条件。

参考文献

[1]Review on thermal energy storage with phase change:materials, heat transfer analysis and applications.Applied Thermal Engineering 23 (2003) 251-283.

相变空调系统 篇7

复合相变材料是材料在相变化过程中,可从环境中吸收热(冷)量或向环境放出热(冷)量,从而达到能量储存和释放的目的,具有降低能源消耗,提高废热利用率和降低环境污染等优点的一种绿色环保的新型材料[1]。复合相变材料已广泛应用于建筑节能保温领域[2],其特点是降低室内温度波动及提高建筑物整体能源利用效率。现阶段的相变材料有无机水合物、石蜡、脂肪酸及其低共熔混合物等[3]。其中石蜡(从正十二烷到正二十八烷)是应用最多、性能最好的一类相变材料,在低于250 ℃时具有很好的热稳定性、无腐蚀性、无毒无味、使用寿命 长、来源广泛、生态无害[4]。 正十八烷[4,5]相变焓高于240J/g,其相变焓在石蜡类中是最高的,相变温度区间为25~30 ℃,是最适合人类生活环境的温度,其最适宜应用于建筑节能领域中。目前正十八烷基复合相变材料的制备方法多数选择微胶囊包覆法(原位聚合与界面聚合)[6,7,8,9],此方法所制备的复合材料粒径小、颗粒均匀,但是其制备造价高,并且制备过程中多用 到有毒性 的有机溶 剂(如甲醛、甲苯等),且微胶囊壁强度低,在加工与应用中容易破裂使相变材料发生泄露。

硅藻土[10]是一种天然材料,储量广、价格低廉、化学性质稳定,具有均匀的纳米级孔洞结构,此结构会产生高的物理吸附力,采用适当的方法可将各种相变物质吸附于硅藻土表面。到目前为止,文献中已报道的有用硅藻土对PEG[11]、硬脂酸[12]与癸-肉豆蔻酸[13]使用真空吸附法制备复合相变材料,其中存在部分相变材料有泄露、相变温度不合适与相变焓相对较低的问题。本实验拟采用溶解吸附法,以正十八烷为相变材料基材,用硅藻土吸附正十八烷,制备一种形态稳定、相变焓高、热性能良好及成本低廉的复合相变材料。

1 实验

1.1 主要实验材料及仪器

硅藻土(营口盼盼科技有限公司,平均粒径7.2μm),正十八烷(天津市光复精细化工研究所,熔点为27~29 ℃),石油醚(天津市福晨化学试剂厂,分析纯),膨胀石墨(青岛天和达石墨有限公司,EG,80目,导热系数为4.26 W/(m·K))。数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司,KQ3200DB型),聚热式恒温加热磁力搅拌器(杭州瑞佳精密科学仪器公司,DF-101S型),循环水式真空泵 (巩义市子华仪器有限责司,SHZ-D(Ⅲ)型)。接触角测量仪(上海中晨科技有限公司JC2000D),场发射扫 描电子显 微镜 (日本电子 株式会社,JSM-6700F),傅里叶红外光谱仪(Nicolet公司,FTIR-1730),TG-DTA型同步热分析仪(耐驰公司,STA 409PC),KD2导热测试仪(Decagon公司,KD2)。

1.2 性能表征

(1)采用场发射扫描电子显微镜对复合材料微观形貌变化进行分析。

(2)采用接触角测量仪对复合材料的膜与粉末产物进行接触角测试。

(3)采用傅里叶红外光谱仪对复合材料的化学成分进行分析对比,并分析制备前后石油醚的化学成分的变化。

(4)用TG-DTA型同步热分析仪对复合材料进行热重与DSC测试(热重升温速率为10 ℃/min,DSC升温速率为2 ℃/min,都在氩气气氛下)。

(5)采用Decagon KD2导热测试仪对复合相变材料的导热系数进行测试,同时将 Φ12mm×15mm的柱状形试样一端置于50 ℃的均匀热源中,一端中心加入热电偶以检测其温度变化情况。

1.3 试样制备

表1为硅藻土/正十八烷复合材料制备配方。

(1)原样处理:硅藻土在400 ℃煅烧1h,并洗涤、干燥,然后通过260目数的标准分样筛(平均粒径为7.2μm)。

(2)复合材料的制备:1常温下将一定量的正十八烷溶解于石油醚中,利用电磁搅拌器300r/min搅拌1h;2在所得的溶液中加入硅藻土,继续充分搅拌(300r/min),并与超声波(40kHz)配合,使得硅藻土的孔洞结构能够与正十八烷充分接触;3硅藻土充分吸附正十八烷后,升高水浴温度到75 ℃,使作为溶剂的石油醚能够完全蒸发,并且加循环水冷凝装置回收蒸发的石油醚;4所得产物放入干燥箱(75 ℃,12h)中将其充分烘干;5为了提高复合材料的导热性能,所制备的3#试样中共混加入不同质量分数的膨胀石墨EG(质量分数为:1%、3%和5%)。

(3)接触角测试的3#试样制备:制备均匀紧致膜与粒度均匀的粉末(平均粒径为30μm)。

(4)导热性能的样品制备:测试样品用钢制模具压制成Φ12mm×15mm的柱状形试样。

2 结果与讨论

2.1 SEM结果分析

由图1(a)提纯硅藻土的SEM像可见,经过提纯的半圆盘型硅藻土上的杂质很少,硅藻土中间以及四周均匀分布的微孔已全部显露出来,并且微孔孔道都是相通的。由图1(b)可见在复合材料3#试样表面已经观察不到孔洞的存在,硅藻土上的微孔已经全部被正十八烷覆盖,可以推测说明硅藻土表面已经吸附了足量的正十八烷;并且发现 微观形态 相似,说明硅藻土均匀地吸附正十八烷于其表面,而没有发生局部的大量堆积。

2.2 接触角检测

2.2.1 复合材料膜的接触角检测

图2所示,提纯硅藻土的接触角为0°,3#试样的接触角为107.1°,纯正十八烷的接触角为120.4°,由此可以确定,通过硅藻土吸附正十八烷所产生的复合相变材料变成了疏水性,并且3#试样的接触角已经很接近纯正十八烷的值,说明复合相变材料中硅藻土的孔洞已经 被正十八 烷完全填 满。但是这仅说明所产生的膜的疏水性,不能说明硅藻土的孔洞结构是否能够均匀地吸附正十八烷,因此笔者进一步检测了其均匀粉末材料的接触角,以证明吸附的均匀性。

2.2.2 复合材料粉末的接触角检测

对均匀的粉末材料进行接触角测试,如图3(a)、(b)、(c)所示,由于硅藻土具有很强的亲水性,可以看出粉末很快进入到水中,最终粉末状硅藻土可以将水全部吸尽,即硅藻土的接触角为0°;而由图3(d)、(e)、(f)可见,3#试样未溶入水中,因为正十八烷具有很强的疏水性,复合相变材料的密度低,而水具有一定的动力粘度,可将所制备的3#试样粘于水的表面。通过接触角检测可得知,正十八烷被均匀地吸附于硅藻土的表面并且所得复合相变材料很均匀。

2.3 红外光谱结果分析

如图4所示,硅藻土红外图谱在1106cm-1和812cm-1处的波峰分别是由Si-O-Si的不对称伸缩振动和Si-O-Si对称伸缩振动引起。在478cm-1处的峰值与Si-O-Si的弯曲振动有关。此外,OH官能团的伸缩振动和弯曲振动峰分别在波数为3449cm-1和1657cm-1处出现。

从正十八烷的图谱得出,在2845cm-1和2914cm-1处的2个峰对应于C-H的对称伸缩振动和不对称伸缩振动。在1461cm-1和1377cm-1处的峰归因于正十八烷中C-H的弯曲振动。在723cm-1处的波峰源于其CH2的摇摆振动。这些正十八烷典型的峰值在复合相变材料的波谱中全部出现,例如C-H的伸缩振动(2845cm-1和2914cm-1)和C-H弯曲振动(1461cm-1和1377cm-1)。主要的硅藻土官能团在复合相变材料的光谱中也被发现。这可以说明硅藻土吸附正十八烷未对其化学性质产生影响,会保留高相变焓的特性。然而,同纯硅藻土对比,在3#试样中,硅藻土的官能团峰值稍微转移到较低的波数方向,Si-O-Si的不对称伸缩振动峰在1102cm-1处,Si-O-Si的对称伸缩振动峰在788cm-1处,SiO-Si的弯曲振动峰在461cm-1处,此波数向低波数偏离显然与硅藻土表面上吸附了正十八烷有关。这主要是硅藻土与正十八烷之间产生氢键,从而产生了分子间作用力———范德华力的影响所致。硅藻土的分子结构有两种:

硅藻土的分子结构主要是硅羟基,硅羟基之间的相互连接形成了均匀分布的纳米级孔洞结构。由于材料的比表面位能与比表面积正相关[14],纳米级孔洞结构有较高的比表面积(553.7m2/kg),所以硅藻土会产生很高的与比表面位能相关的物理吸附力———毛细管力和表面张力[15,16]。然而一定量的硅藻土所产生的分子间作用力与物理吸附力是一定的,因此硅藻土所吸附的正十八烷的量是一定的,可通过热稳定性泄露实验测试其最大吸附量。

2.4 热稳定性分析

由图5可知,在200 ℃以下,曲线基本平缓,说明正十八烷/硅藻土复合材料质量基本没有损失,约从240 ℃开始,曲线迅速下降,且正十八烷含量最低的一组质量损失最少,说明在此温度范围内,正十八烷在此温度下开始蒸发脱离硅藻土的吸附;350 ℃以上,曲线又变平缓,此温度下正十八烷全部蒸发,残余的为硅藻土。由以上分析可知,正十八烷的蒸发初始温度是240 ℃,远远高于其相变温度,表明在使用过程中复合材料不会发生质量减少,因此不会影响到其自身的性能,适合于在节能建筑、太阳能储热等领域使用,且在使用过程中具有良好的热稳定性。

图6为复合相变材料用钢制模具压制成的标准圆盘形样品,(a)分别为纯 正十八烷、30%PCM、35%PCM、40%PCM、45%PCM在10 ℃所压制成的样品的形貌图;(b)分别对应它们在80 ℃(远大于其相变温度)环境下的形貌图。此方法能够直观显示出在相变过程中受热的正十八烷的泄露量[17]。由图6可以看到纯正十八烷的形貌发生了很大的变化———全部熔化,已看不到完整的柱形存在,如果应用于材料中就意味着大量的泄露[5]。正十八烷含量为30%、35%与40%的复合相变材料受热后形貌没有任何变化,而正十八烷含量为45%的复合相变材料(4#试样)有一定的泄漏,可以推测,随着含量的增加其泄漏的正十八烷量将逐渐增加。这主要是因为一定质量的硅藻土吸附相变材料的质量也是一定的,若加入更多量的正十八烷,其在熔化状态下就会发生泄露,如发生泄露就会使得复合材料中的相变材料流失,造成复合材料储能量降低,储能能力下降。

2.5 DSC结果分析

正十八烷的相变温度区间为25~32 ℃,相变焓值高于240J/g,由图7可以得出,硅藻土/正十八烷复合相变材料所含正十八烷的量的不同对其相变温度无明显影响,其相变温度都在26~31 ℃之间,说明本实验所制备的复合相变材料适宜于日常生活相关的产品中使用,具有实际应用价值。复合相变材料的相变焓值越大单位质量所储存的热量越多,如图7中的吸热峰显示,随着所吸附相变材料的量的增加,其吸热峰逐渐增大,分析可得45%PCM的相变焓为163.3J/g,40%PCM的相变焓为149.6J/g,35%PCM的相变焓为140.7J/g,30%PCM的相变焓为131.6J/g。这说明随着所吸附的正十八烷量的增加相变焓也逐渐提高,随着吸附量增加单位质量复合材料所储存的能量也增加。

表2中吸附法所制备的同类硅藻土复合材料的比较显示:硅藻土的吸附量都是在50%(质量分数)左右,这主要与硅藻土自身的空隙率与吸附力有关系,由于一定质量的硅藻土所具有的空隙率与吸附力也是一定的,所以硅藻土吸附的相变材料的质量相差不大;3#试样相变温度区间为26~31℃,如若考虑在建筑节能领域应用,3#试样相对其他材料更适合;3#试样相变焓值为149.6J/g,且无任何泄露,此数值显著高于同类复 合材料硅 藻土/PEG与硅藻土/癸-肉豆蔻酸,这主要是因为此相变材料中正十八烷的相变焓值远远高于PEG(PEG1000=150.3J/g)和癸-肉豆蔻酸(149J/g),而吸附量相近。文献[15]中硅藻土/PEG在制备中使用真空吸附法,此方法的使用只局限于液体相变材料。对硅藻土/癸-肉豆蔻酸复合相变材料,没有确定其最高吸附量,在实际应用中存在泄漏的隐患。虽然复合材料硅藻土/硬脂酸与硅藻土/正十八烷的相变焓值相差不大,但是硅藻土/硬脂酸相变温度区间为62~76 ℃,不适宜在建筑节能领域使用。高的相变焓值能够在等量的复合材料的情况下储存更多的能量。

另外,研究表明,吸附法制备无机材料复合有机材料的相变焓普遍较低,而微胶囊所制备的复合相变材料相变焓值普遍较高,笔者将结果与微胶囊法制备的正十八烷基复合材料作了对比,如表3所示。

由表3可知,微胶囊法制备复合材料相变温度范围与本工作的正十八烷/硅藻土复合材料对比,变化不大,这主要说明两种制备方法都对其化学性质影响不大;对比相变焓值发现,本实验所制备的显著高于微胶囊 法制备的 复合相变 材料。因为硅藻土具有均匀的孔洞结构,并且其所产生的物理吸附力稳定,其孔容量很大,能够吸附足量的正十八烷于其孔洞中,在无泄漏的情况下本实验中可以吸附高于40%(质量分数)的正十八烷;而微胶囊法制备的复合材料相变焓与其包含量密切相关,包含量是指被包裹的芯材质量与全部产品的质量之比,即在壳材质量一定的情况下,随着芯材质量的增加,包含量逐渐提高,相变焓也随之增加,但过多地增加芯材质量,壳材质量不足以完整致密地包覆芯材,因此芯材达到一定质量时,相变焓就不再变化。研究发现当芯材质量低于40%时其性能是稳定的[18],壳材能够很好地包覆芯材,相变焓是稳定的。两种方法所载相变材料正十八烷量的不同导致其相变焓的不同。综合对比分析表明,本实验所制备的复合相变材料的储热性能明显优于其他同类材料,且原料价格低廉制备工艺更经济实用。

2.6 复合相变材料导热性能测试

在相变储能材料中,导热性能是除了相变温度与相变焓值以外的最重要的参数之一。多数有机相变材料的导热系数偏低,从而导致热量储存和释放速率偏低,因此限制了其在实践中的应用[10]。而硅藻土的主要成分为SiO2,其导热率也很低,笔者采用在复合相变材料中加入膨胀石墨EG对其进行改进。

表4为各种材料的热导率,可以看出随着膨胀石墨量的增加其导热率也逐渐增加,且复合材料的导热率与EG的质量分数几乎成线性关系,可以容易地进行拟合:

y=0.032x+0.318(R2=0.998)

式中:y为复合相变材料的导热率,x为EG的质量分数。测得系数R2=0.998,这表明EG的质量分数与复合材料的导热率具有很高的线性相关性[19]。从图8可以看出3#试样中添加量为1%、3%、5%(质量分数)时与不加入膨胀石墨对比,复合材料的导热率分别提高了16%、42%、71%,进而说明膨胀石墨的加入明显改善了复合材料的导热性能。

图9是40%PCM复合相变 材料添加 不同量EG之后28~43 ℃之间温度变化与时间的关系图,可以看出未添加EG的材料在此温度段所用时间最长,而添加了不同量EG的复合材料升温时间明显缩短,并且随着加入量的增加所用升温时间逐渐缩短。比如未添加EG的升温时间为350s,而EG添加量为5%的升温时间为275s。其主要原因是:添加的EG均匀分布于复合材料中,作为一个热量传递的介质,随其加入量的增加,热量传递的效率会上升[19]。由于热量的传递效率提高,冷热平衡速率提高,使其在建筑物中具有很好的应用前景,可以应用到不同建筑材料中以实现调温控温。

2.7 回收石油醚红外光谱分析

图10为复合相变材料制备过程作为溶剂使用的石油醚及其冷凝回收后的红外谱图,可以看出,回收后的石油醚的吸收峰与原石油醚的完全相同,说明在制备过程中没有杂质混入石油醚中,并且石油醚的本身未受任何影响,因而石油醚可以循环再利用。通过对溶剂石油醚质量的计算可得石油醚的回收率高于56%(质量分数)。

3 结论

(1)正十八烷被硅藻土均匀吸附于其孔洞结构中,最大吸附量为40%(质量分数),且形态稳定,无任何泄露。(2)DSC测试表明其相变温度区间为26~31 ℃,3#试样的吸附量为40%(质量分数),相变焓值为149.6J/g,适宜在建筑节能领域中使用,储热性能明显优于其它同类材料,且制备工艺更经济实用。(3)3#试样中加入1%、3%和5%(质量分数)膨胀石墨后复合材料的导热率分别提高了16%、42%和71%,并且加入5%膨胀石墨时其传热时间缩短了75s。(4)在制备复合材料过程中所回收到的石油醚的化学结构没有受到破坏,并且回收率高于56%(质量分数)。

摘要：利用硅藻土比表面积大、孔洞多因而吸附性好的特点,吸附正十八烷,制备出形态稳定、高相变焓的硅藻土/正十八烷复合相变材料。利用扫描电镜(SEM)观察其表面形貌,采用红外光谱法(FTIR)分析材料的微观结构,用热重分析仪(TG)及受热形态变化对其热稳定性进行了表征,用示差扫描量热法(DSC)对其相变温度及相变焓进行了测定。结果表明:制得的复合相变材料的分解温度在240℃以上,当正十八烷的吸附量不超过40%时,在高于相变温度时未泄漏,相变温度在26~31℃之间,并且具有很高的相变焓(131.6~163.3J/g),是一类形态稳定、相变焓高、热性能良好、应用前景广泛的节能环保材料。