空调用纳米有机复合相变蓄冷材料分散稳定性

纳米材料在有机相变蓄能材料中的分散稳定性对其整体性能的保持具有决定性作用.本文将具有高导热性的纳米材料(MWNTs、Al₂O₃、Fe₂O₃)添加到热导率较低的空调用有机相变材料(质量比为73.7:26.3的辛酸/肉豆蔻醇)中,制备了纳米复合蓄冷材料;利用测量热导率的高低来间接反映分散稳定性的好坏,研究了分散剂种类、分散剂浓度和超声分散时间对纳米复合有机相变材料分散稳定性的影响.实验证明:分散剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)对纳米复合材料的分散稳定效果最好;当添加的分散剂SDBS与不同纳米材料MWNTs、Al₂O₃和Fe₂O₃质量比分别为2:1、3:1和3:1时,所对应的分散稳定性能最好;超声分散时间为90min时纳米复合材料的分散稳定性能最优.为获得性能良好、稳定的纳米有机复合材料提供了新的评价方法和指导.     

新型0℃相变蓄冷材料制备及蓄冷特性

针对冷链物流应用场合,提出并制备了相变温度在0℃左右、潜热较高、过冷度较小的以质量分数5%的山梨醇水溶液为基液的相变蓄冷材料,并通过采用纳米材料对其热物性进行了优化研究,设计制作了一种可直接充冷式蓄冷保温箱,以苹果作为保温对象进行了山梨醇蓄冷保温箱的保冷性能实验。结果显示,采用纳米材料（TiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃）可以有效降低蓄冷剂溶液的过冷度并增强其热导率;当TiO₂质量分数为0.50%时,可使质量分数5%山梨醇水溶液过冷度降低至1.4℃;当TiO₂质量分数为0.40%时,5%山梨醇水溶液热导率达到最大值,为0.612W/（m·K）;山梨醇水溶液本身并无相分离现象,但因纳米材料沉淀问题需加一定量的增稠剂,最终经优化所得蓄冷材料的配比为5%山梨醇水溶液+0.40%TiO₂+1.0%聚丙烯酸钠（PAAS）,其相变温度为-2.9℃,潜热焓为293.8kJ/kg,热导率为0.62W/(m·K)。本文提出的蓄冷剂溶液可以使苹果在-1～7℃区间保温20h以上,可满足冷链物流“最后一公里”甚至更长距离冷藏运输的时间要求。     

豆荚结构聚乙烯醇缩丁醛/氧化铝复合相变纤维的制备及性能

利用微流控技术成功制备了聚乙烯醇缩丁醛（PVB）基材中共混氧化铝（Al₂O₃）纳米颗粒，其内部包封正十五烷的豆荚结构复合相变纤维。系统考察了Al₂O₃的含量对复合相变纤维的微观结构、相变性能和导热性能的影响规律。研究结果表明，复合相变纤维的致密表面可将正十五烷良好地包封于其内部的独立腔室内，包封率约为30%。在PVB基材中添加Al₂O₃纳米颗粒对复合相变纤维的豆荚结构和相变焓均无明显影响，但可显著提高相变纤维的导热性能。在模拟太阳光照射下，添加10% Al₂O₃纳米颗粒的复合相变纤维的表面温度比不含Al₂O₃纳米颗粒的相变纤维的表面温度升高更快，前者的熔融时间比后者缩短了25%。研究结果将为制备结构可控、具有良好、稳定导热性能和高效、快速调温性能的相变纤维提供重要的实验参考和指导。     

十二醇-癸酸-纳米粒子复合相变材料传热性能

针对有机相变材料热导率低的共性,以质量比为58.47:41.53的脂肪烃类低共熔有机物十二醇(DA)-癸酸(CA)为基液,添加纳米粒子MWNT、Cu、Al₂O₃及分散剂SDBS制备出纳米复合相变材料,从纳米粒子种类、添加浓度及超声时间方面研究其对复合有机相变材料热物性的影响。实验发现MWNT、Cu、Al₂O₃的添加都可以不同程度上提高DA-CA的热导率。当超声时间为50min、纳米粒子浓度均为0.1g·L^-1时3种纳米复合材料的热导率大小依次是:MWNT>Al₂O₃>Cu。最优例:超声分散时间90min,DA-CA+MWNT(0.1g·L^-1)+SDBS(0.2g·L^-1)的热导率最大,为0.3602W·m^-1·K^-1,相较DA-CA提高了20.5%,在不影响基液热物性的基础上具有良好的热稳定性。     

空气能蓄冷用相变材料研制及热物性表征

针对自然冷源在建筑空气调节中的应用,以癸酸-月桂酸（CA-LA）低共熔混酸为相变材料,纳米Fe₂O₃为添加剂,膨胀石墨（EG）为基质材料,采用化学分散、超声振荡和物理吸附的方法制备CA-LAFe₂O₃/EG复合相变材料,并对材料进行性能表征。结果表明纳米Fe₂O₃质量分数为0.8%时与CA-LA混合均匀性较好,具有成核作用,消除了CA-LA的过冷度;EG质量分数为5.88%时,对CA-LAFe₂O₃（质量分数0.8%）具有较好的包覆效果,傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示复合材料内部未发生化学反应,各物质之间属于物理吸附;纳米Fe₂O₃粒子和EG可加快材料相变过程,较CA-LA、CA-LA Fe₂O₃（质量分数0.8%）的冷却与结晶过程总时间缩短了39.4%,CA-LA Fe₂O₃（质量分数0.8%）/EG（质量分数5.88%）对应时间缩短78.2%,有利于空气能蓄冷过程的顺利进行;CA-LA Fe₂O₃（质量分数0.8%）/EG（质量分数5.88%）的相变焓为124.70kJ/kg,融化初始温度为18.66℃,结晶起始温度为19.87℃,较CA-LA的焓降低3.4%,融化与结晶过程温度区间均增大,材料的导热性能增强。定型复合相变材料热响应与受压方向有关,受压面切向方向温度响应速度远大于受压面法向方向,相变储能换热器设计时应考虑材料导热的各向异性特点。     

十二水磷酸氢二钠纳米复合相变材料的过冷特性

研制了一种以十二水磷酸氢二钠（Na₂HPO₄·12H₂O）为主储能材料的中低温相变材料。通过添加成核剂纳米Al₂O₃、纳米TiO₂、纳米石墨粉、多壁碳纳米管和高分子分散剂聚丙烯酸钠（PAAS）对Na₂HPO₄·12H₂O改性。结果表明,多壁碳纳米管减少过冷度的同时会破坏Na₂HPO₄·12H₂O的相变特性,添加3%（质量分数）的纳米Al₂O₃可以减少40.7%的过冷度,添加4%的纳米TiO₂可以减少44.6%的过冷度,添加4%的纳米石墨粉可以减少62.3%的过冷度。对于添加3%纳米Al₂O₃的复合相变材料,PAAS浓度对过冷度无影响;对于4%纳米TiO₂的复合相变材料,添加4% PAAS过冷度最低为3.2℃,减少了76.1%;对于4%纳米石墨粉的复合相变材料,2% PAAS过冷度最低为1.2℃,减少了90.7%;纳米石墨粉/PAAS/Na₂HPO₄·12H₂O三元复合相变材料经过100次循环实验后,发现具有较好的热稳定性。     

新型复合低温相变蓄冷材料的研制及热物性优化

针对低温冷链物流应用场合,提出一种由三羟甲基丙烷（TMP）、氯化铵（NH₄Cl）和水组成的新型有机-无机复合相变蓄冷材料。首先对该复合材料的不同配比进行DSC热分析实验,筛选出热力性能较优异的材料混合比（TMP∶NH₄Cl∶H₂O质量比为1.0∶2.0∶7.0）。其次,以上述配比的复合材料为基液,研究了添加不同的纳米粒子（三氧化二铝、二氧化钛、三氧化二铁）对其过冷度、热导率的影响,以及增稠剂（羧甲基纤维素（CMC）、聚丙烯酸钠（PAAS））对其相分离现象的影响,并进行了热循环实验。实验结果表明：添加0.40%(质量分数)的TiO₂纳米粒子对降低该复合材料过冷度效果最佳;添加0.50%(质量分数)的TiO₂纳米粒子对增大其热导率效果最佳;增稠剂CMC和PAAS可以消除该复合材料相分离现象并对其相变温度、相变潜热、过冷度等热物性影响较小。经优化所得最终复合相变蓄冷材料的配比为以1.0∶2.0∶7.0质量比混合的TMP-NH₄Cl-H₂O + 0.40%(质量分数)TiO₂ + 1.0%(质量分数) PAAS,其相变温度为－19.9℃,相变潜热为246.8 kJ/kg,热导率为0.81 W/(m·K),并具有较好的循环稳定性。     

Na2HPO4?12H2O相变储能复合材料制备及热物性

十二水磷酸氢二钠的过冷度、相分离以及热导率低等问题影响了其在低温蓄热场合的应用,因此需要对其进行相关的改性研究。本文通过成核剂和增稠剂的筛选实验及添加导热增强剂纳米氧化铁（α-Fe₂O₃）,制备了质量分数为Na₂HPO₄·12H₂O+2% Na₄P₂O₇·10H₂O+1%黄原胶（GX）+0.2%α-Fe₂O₃复合相变储能材料,并对其进行了凝固放热测试、热物性测试及循环稳定性测试。结果表明：2%的Na₄P₂O₇·10H₂O抑制过冷效果最好,成核效果不随循环次数的增加而减小,过冷度维持在2℃左右;GX可以有效抑制Na₂HPO₄·12H₂O的相分离现象,且质量分数为0.75%～1.25%是较合适的剂量;α-Fe₂O₃可以有效地提高Na₂HPO₄·12H₂O的热导率,添加0.2%α-Fe₂O₃使热导率提高了90.8%;循环150次后,复合相变储能材料的相变潜热值为252J/g,相比于循环前衰减了7.4%,相变温度为35.4℃,过冷度为1.3℃,热导率为2.054W/(m·K),相比纯材料提高了100.2%。改性后的复合相变储能材料相变温度适宜,潜热值大,热导率高,热性能稳定,可推广应用到热泵蓄热、温室生产和电子器件散热等领域。     

可降解柔性相变薄膜的制备及其热性能

为解决相变材料易泄漏、热导率低和力学性能差的问题,以生物基可降解聚乳酸(PLA)为基底,聚乙二醇(PEG)为相变工质,改性氧化铝(Al₂O₃)为导热添加剂,通过溶液共混法制备PEG/PLA/Al₂O₃柔性相变薄膜,用于热储能。相变薄膜可任意卷曲和折叠而不发生断裂,表现出良好的柔性。对其热性能、导热性能和降解性能等进行测试,结果表明：PEG和PLA具有良好的相容性,PLA作为支撑基底有效防止了PEG液体的泄漏,所制备的柔性相变薄膜具有良好的形状稳定性。PEG/PLA的熔融和凝固过程中的潜热分别为120.2和128.5 J/g,潜热留存率分别为62.2%和67.6%,添加20%的氧化铝,潜热值仅降低12.5%,而热导率提高了75.0%,热传递效率得到明显提升。PEG/PLA的降解速率明显高于PLA,PEG/PLA薄膜在NaOH溶液(pH=13)中4 h左右可完全降解,具有良好的环境友好性。     

甘露醇水溶液低温储能相变材料的制备及热物性

研制了一种应用于-1~-3℃、具有高相变潜热值的有机无机复合相变材料。通过10次重复实验筛选出复合相变材料主基液（3%甘露醇水溶液,质量分数,余同）,在基液中添加成核剂硫酸钾（K₂SO₄）、乙酸钠（CH₃COONa）和六偏磷酸钠[（NaPO₃）₆]及增稠剂聚丙烯酸钠（PAAS）研究其对相变材料过冷度、相变平台和放冷速率的影响,并进行热循环实验。实验结果表明,3%甘露醇水溶液平均过冷度最小,相变潜热为319.5J/g;0.5% K₂SO₄、1% CH₃COONa和1%（NaPO₃）₆可以完全消除甘露醇水溶液的过冷度,（NaPO₃）₆对相变潜热影响最小,仅降低4.3%;PAAS质量分数从0增加至0.4%,材料相变平台延长了60%,从0.4%增加至1%,相变平台缩短了25%;通过50次和100次的循环实验,发现该复合相变材料热稳定性良好。     

纳米粒子对CO2水合物导热性能的影响

试验研究了不同种类（Al₂O₃、Cu、SiO₂）、不同质量分数（0.05%、0.1%、0.15%）及不同粒径（10、30、50 nm）的纳米粒子对CO₂水合物热导率的影响。结果表明温度为-5~5℃时,纯CO₂水合物热导率为0.553~0.5861 W·m^-1·K^-1,具有玻璃体的变化特性。分散剂SDBS的加入,可改善CO₂水合物-纳米粒子体系的导热性能。在相同的质量分数和粒径下,纳米Cu粒子对CO₂水合物热导率的增强作用最好,但综合考虑水合物生成特性和溶液悬浮稳定性,选用纳米Al₂O₃粒子较合适。Al₂O₃粒子粒径越小,水合物热导率越大,15 nm比50 nm纳米粒子体系中CO₂水合物热导率的增长率平均提高了12.7%。此外,CO₂水合物热导率随Al₂O₃粒子质量分数的增大而增大,质量分数由0.05%增加到0.15%时,水合物热导率的增长率由4.2%提高到8.2%。     

四元相变材料的制备及改性研究

为探究与制备更加适用于太阳能储能应用的四元相变材料,以Na₂HPO₄·12H₂O为主储热剂,Na₂SO₄·10H₂O,Na₂CO₃·10H₂O,Na₂S₂O₃·5H₂O与CH₃COONa·3H₂O为辅储热剂,在四种辅储热剂中任取三种与主储热剂按照设计的配比进行混合,制备四元相变储能材料,并选取纳米TiO₂,ZnO,Al₂O₃以及Na₂SiO₃和Na₂B₄O₇·10H₂O作为成核剂分别对其进行改性,通过步冷曲线、DSC、SEM、IR、XRD对样品进行数据分析。结果表明,Na₂HPO₄·12H₂O/Na₂CO₃·10H₂O/Na₂SO₄·10H₂O/Na₂S₂O₃·5H₂O为四元PCMs的最佳组合,其最佳配比(质量分数)分别为60%、10%、20%、10%(60/10/20/10)。在多种成核剂中掺加氧化锌的效果最好,当掺量10%(质量分数)时,四元PCMs的过冷度由3.0 ℃降低到0.2 ℃,相变焓由95.11 J/g升至472.39 J/g,相变温度区间从15.44~39.90 ℃改变至50.79~129.64 ℃,且无相分离。     

粒径混合比对Al2O3/水纳米流体传热性能影响及评价

采用两步法制备体积分数为0.5%和1.0%的Al₂O₃/水纳米流体，研究20nm和50nm Al₂O₃纳米粒子的混合比对热导率和黏度的影响，并用c _μ/c _λ和Mo数来评价其综合传热效果，判断是否适用于实际传热过程。实验结果表明，有效热导率和相对黏度受团聚体尺寸影响较大。在体积分数为1.0%和混合比为50∶50时有效热导率的增幅最大，而混合比为（40∶60）～（60∶40）之间，相对黏度最低。这是因为此时团聚体的尺寸小，相应地沉淀速度慢，说明其分散性较好，形成局部粒子富集区，即“50nm固体粒子-20nm固体粒子-液体分子”的界面层，能产生高导热渗透通道及低热阻区，使热导率增大。在层流时，该纳米流体适用于实际传热过程中的范围为：体积分数0.5%和1.0%，混合比40∶60和50∶50，温度25～50℃。在紊流时，体积分数为0.5%和温度高于40℃时，混合比范围为(40∶60)～(60∶40)才适合使用此纳米流体。