有机-无机混合相变材料的热物性研究

目的获得有效改善过冷,同时保持较高潜热、性能稳定的混合相变储能材料。方法分别制备不同质量比的硬脂酸/Mg(NO_3)_2·6H_2O、硬脂酸/Na_2HPO_4·12H_2O的混合材料,使用高低温交变箱测试长期循环性能,用温度记录仪测其步冷曲线,得到相变温度和过冷度,再使用参比温度曲线法对相变材料循环前后的相变潜热进行测试比较。结果硬脂酸/Na_2HPO_4·12H_2O混合材料的过冷度降低至3℃左右,经300次融化/凝固循环后过冷度维持恒定,潜热衰减率在20%以内。结论采用结构相似的2种混合相变材料均可改善无机水合盐的过冷度。硬脂酸与Mg(NO_3)_2·6H_2O相容性不佳,相变潜热的衰减加剧,循环稳定性变差,而硬脂酸与Na_2HPO_4·12H_2O的相容性良好,性能表现稳定,是一种良好的储能材料。     

基于T-history法的相变材料性能分析

相变材料在工程应用前需准确测试其相变潜热与相变点。DSC是最常用的材料热性能表征手段,但DSC设备昂贵,且并不适合块体材料。T-history法设备简单易建,能用于大体积材料测试。该文基于T-history法,通过线性拟合的方法拟合出固相与液相的焓值曲线,并以此确定相变材料的相变点与相变潜热。通过测试癸酸,得到癸酸的相变潜热与相变点分别为166.8J/g和31.9℃。相变潜热与文献报道值相差小于6%,相变点与文献报道值相差小于9%。结果表明此法可用于测试相变材料的相变点与相变潜热。     

基于跨季节储热的相变材料的制备及研究

制备了4组不同浓度的醋酸钠水溶液。将纯三水醋酸钠分别在70℃、75℃、80℃、85℃不同加热温度中熔化后进行冷却,来研究加热温度对过冷度的影响。4组样品在85℃水槽中熔化后分别在10℃和0℃低温槽中冷却,手动播种三水醋酸钠晶粒触发结晶放热,来研究醋酸钠水溶液的稳定过冷和放热性能;并通过DSC测试醋酸钠水溶液的相变温度和潜热值。结果发现,过冷度随着加热温度的升高而增大,加热温度超过80℃时,三水醋酸钠可以实现稳定过冷。醋酸钠水溶液的相变温度与潜热值随着浓度的降低而降低,且过冷液体随浓度的降低过冷状态越稳定。其中60%浓度的醋酸钠水溶液相变温度为58.4℃,潜热值最大,达到265.4kJ/kg,无相分离,适合作为跨季节储热的相变材料。     

冷冻型复合相变蓄冷材料的制备与性能评价

提出自行研制的一种低温(-25～-23℃)复合相变材料。该材料由氯化钠作为主储能剂,碳酸钾与氯化钾作为降温剂,并且筛选合适的成核剂及防相分离剂进行复合。样品的热物理性能(相变温度、相变潜热等)和热循环性能通过差示扫描量热仪(DSC)来表征;过冷度和热循环稳定性通过温度记录仪表征。结果表明:制备的两种蓄冷剂的相变温度为-25～-23℃,相变潜热200J/g以上,过冷度较小且循环100次后不会出现相分离现象。     

脂肪酸类混合物热物性的理论预测及实验研究

以癸酸、硬脂酸、肉豆蔻酸和棕榈酸有机相变材料两两混合制成脂肪酸二元混合物为研究对象,选取理论计算公式,对不同配合比的脂肪酸二元混合物的相变温度和相变潜热进行理论预测,并对脂肪酸二元混合物的相变温度和相变潜热进行测试分析研究,将实验值与理论值进行对比,旨在证明所选取的理论计算公式应用于脂肪酸二元混合物的相变温度和相变潜热的预测是可行的。研究结果表明,脂肪酸二元混合物相变温度的实验值与理论值偏差较小,总体偏差均小于4.64℃,实验值与理论值吻合良好;相变潜实验值与理论值对比,除了硬脂酸/棕榈酸混合物个别条件下实验值与理论值偏差稍大为39.28J/g,其他混合物基本偏差不超过11.54J/g;理论计算公式用于脂肪酸二元混合物的相变温度和相变潜热的理论预测是可行的。     

太阳能中温利用相变材料MgCl_2·6H_2O的热循环耐久性研究

分别在密封和未密封条件下对六水合氯化镁(MgCl2·6H2O)进行600次加速热循环实验,研究其作为太阳能中温蓄热材料的可行性。采用差示扫描量热仪、X射线衍射仪和多路温度测试仪测试不同次数热循环后样品的相变温度、相变潜热、晶体结构和过冷度。结果表明,未密封状态下,200次热循环后,MgCl2·6H2O的相变潜热降低54.2%,并有新相MgCl2·4H2O产生;密封状态下,600次热循环后,MgCl2·6H2O的相变温度和峰值温度的变化分别在±1%和±4%内,相变潜热的变化在-15.2%~+1.5%内(300次热循环后变化异常);同时,MgCl2·6H2O凝固时几乎没有过冷现象,过冷度在0~2.2℃之间。密封状态下,MgCl2·6H2O在太阳能中温蓄热应用中是一种很有发展前景的材料。     

参比温度曲线法的改进与实验研究

相变蓄热材料应用广泛,其热物性的测量至关重要。本文基于参比温度曲线法的基本思想,从相变蓄热材料的理论步冷曲线特征和实际测量过程出发,针对相变阶段中能量平衡方程的显热因素和相变结束阶段降温过程的温差因素进行分析和改进,得到了改进后的计算方程。并以十二水磷酸氢二钠、月桂酸和硬脂酸三种相变材料为例进行相变材料步冷曲线的实验研究,结合改进后的计算方程进行相变潜热值的计算。结果表明:改进后的方程对潜热的计算值与DSC测量值相比更接近,误差控制在10%以内。参比温度曲线法的改进对于相变蓄热材料的快速开发和调制具有一定的实践指导意义。     

山梨醇水溶液过冷度影响因素研究

针对冷藏物流的不同温区要求,以山梨醇(C_6H_(14)O_6)水溶液为研究对象,用差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry,DSC)实验测定了不同质量浓度的山梨醇水溶液相变温度和潜热焓,获得了相变温度为-11.0℃~-1.8℃、潜热焓为173.1 kJ/kg~319.0 kJ/kg的相变蓄冷材料,并研究了降温速率、载冷介质温度和试管直径对山梨醇水溶液过冷度的影响。实验结果表明,当山梨醇水溶液降温速率从1.92℃/min减小到0.18℃/min时,溶液过冷度减小;随着载冷介质温度从-18℃提升到-10℃,山梨醇水溶液过冷度稍有减小;当试管直径从10 mm增大到20 mm时,山梨醇水溶液过冷度显著减小。     

纳米二氧化钛-赤藻糖醇储能体系实验研究

针对移动供热的温度范围,相变温度为119℃的赤藻糖醇具有很大的应用潜力,但其存在导热系数低、放热不稳定、容易过冷等不足。本文通过添加纳米材料作为成核剂改善赤藻糖醇性能,制备了不同纳米材料的相变复合材料。对样品的融化-凝固进行观察记录,绘制时间温度曲线并对纳米氧化钛在质量分数不同的情况下进行体积膨胀率和密度、过冷度、相变潜热、导热系数测定,测试表明,相对于纯赤藻糖醇,添加纳米级物质作为成核剂可以减小相变材料的过冷度,并且在一定程度上可以提高相变材料的导热系数;纳米二氧化钛对样本的密度数值上有0.02~0.08 g/cm~3的波动,膨胀率呈减小的趋势;添加0.1%的纳米二氧化钛-赤藻糖醇过冷度下降37.91%,潜热值下降2.25%,固态导热系数增大3.67倍。     

低温复合相变材料正辛酸-癸酸的制备及性能分析

将正辛酸(OA)与癸酸(CA)按比例混合制备二元复合相变材料OA-CA,用于相变温度2～8℃的医药冷藏运输系统中。首先通过理论计算预测了二元混合物的共晶点,确定它的共晶点比例、相变温度及潜热值,然后围绕共晶点比例配制6种不同比例的混合物。结果表明:OA-CA的过冷度为0.4℃、共晶点质量比为71∶29、相变温度为1.7℃、相变潜热为122.1J/g、热导率为0.3231W/(m·K)。对OA-CA低温复合相变材料进行100次循环蓄放冷实验,发现其相变温度、潜热值、热导率均未发生明显变化。     

基于插值算法和时间序列的容积表拟合方法

在实际测量罐容积表数值的基础上,使用三次样条曲线插值和指数时间序列分析的方法,样条插值生成的数值用以补全在容积表实测采样点区间内的数值,时间序列分析方法用以推算出在罐底和罐顶未测得区间的数值。在实际计量测试中,三次均匀B样条曲线插值方法模拟与实际真值最大偏差小于0.3%,时间序列分析方法测的数据提供参考价值,依次两位向前推得数据,实际偏差小于1%。     

基于物质熵增纳米铜-赤藻糖醇循环稳定性分析

本文介绍了纳米铜-赤藻糖醇的配制方法,通过材料热物性变化的内部机理研究了循环过程中此相变材料(PCM)的衰减过程。根据差示扫描量热仪(DSC)以及导热系数测试仪(Hotdisk)的测试数据,对导热系数、过冷度、相变潜热在100次热循环过程中的0次、20次、40次、60次、80次、100次的变化原因进行了理论分析。采用热力学熵的热力学原理引出物质熵,从物质熵增的角度,总结了相变材料的衰减原因。结果表明:相变材料经过100次循环后,各项性能参数都出现了不同幅度的下降。导热系数随着纳米铜的添加量增加下降幅度减小;赤藻糖醇添加纳米铜后的过冷度整体上小于没有添加的过冷度;随着循环次数的增加,潜热值后期整体下降幅度加大。     

基于容量比较法的卧式罐容量表计算方法研究

在卧式罐容量计量容量比较法原理的基础上,讨论了由有限的卧式罐离散(V-H)点计算出全高度量程范围内任意点的容积值的4种计算方法。并以30m³卧式罐为对象进行了试验研究。试验结果表明:Lagrange插值方法、分段线性插值方法、三次多项式拟合方法和三次样条插值方法在中间液位区间的计算结果较为一致;三次样条插值方法计算结果与试验值偏差最小,最大偏差值23.0L,而且稳定性较好;Lagrange插值方法、分段线性插值方法和三次多项式拟合方法在低液位高度或高液位高度的偏差比中间液位区间的计算偏差大;但是在低液位高度和高液位高度区间,由于多节点时边沿振荡原因,Lagrange插值方法的计算偏差大于三次样条插值方法。     

Cubic spline boundary elements

The boundary integral method is formulated and applied using cubic spline interpolation along the boundary for both the geometry and the primary variables. The cubic spline interpolation has continuous first and second derivatives between elements, thus allowing the accurate calculation of derivative dependent functions (on the boundary) such as velocity in potential flow. The spline functions also smooth the geometry and can represent curved sections with fewer nodes. The results of numerical experiments indicate that the accuracy of the boundary integral equation method is improved for a given number of elements by using cubic spline interpolation. It is, however, necessary to use numerical quadrature. The quadrature slows calculation and/or degrades the accuracy. The numerical experiments indicate that most problems run faster for a given accuracy using linear interpolation. There seems to be a class of problems, however, which requires higher order interpolation and/or continuous derivatives for which the cubic spline interpolation works much better than linear interpolation.     

Accuracy improvement of T-history method for measuring heat of fusion of various materials

T-history method, developed for measuring heat-of-fusion of phase change material (PCM) in sealed tubes, has the advantages of a simple experimental device and convenience with no sampling process. However, some improper assumptions in the original method, such as using a degree of supercooling as the end of latent heat period and neglecting sensible heat during phase change, can cause significant errors in determining the heat of fusion. This problem has been improved in order to predict better results by us. The present study shows that the modified T-history method is successfully applied to a variety of PCMs such as paraffin and lauric acid having no or a low degree of supercooling. Also it turned out that selected periods for sensible and latent heat do not significantly affect the accuracy of heat-of-fusion. As a result, the method can provide an appropriate means to assess a newly developed PCM by a cycle test even if a very accurate value cannot be obtained.     

Na_2SO_4·10H_2O/EG复合相变材料的制备与性能分析

以十水硫酸钠为相变材料,采用真空吸附法制备十水合硫酸钠/膨胀石墨复合相变储能材料(Na_2SO_4·10H_2O/EG),对其融化-凝固、相分离、过冷、潜热等热物性进行测试分析。结果表明:在Na_2SO_4·10H_2O中添加2%(质量分数,下同)硼砂和8%EG后,可得到理想的Na_2SO_4·10H_2O/EG固-固复合相变材料。此时,Na_2SO_4·10H_2O相分离得到消除,过冷度由13.6℃降低到0.6℃以下,相变潜热和体储能密度分别为225.77kJ·kg~(-1)和218.09MJ·m~(-3)。此外,导热率也得到提高,相比于只添加成核剂硼砂的Na_2SO_4·10H_2O PCM,储热时间缩短52.6%,放热时间缩短55.1%,经过500次急剧升温-降温循环后也未出现性能衰减,储/放热性能较好。     

月桂酸-硬脂酸/SiO2复合相变材料的实验研究

相变蓄热技术能够收集太阳能等低品位热源形成稳定的“能量池”,为建筑保温蓄热或末端能量利用提供稳定的热源。本文选取月桂酸和硬脂酸作为基本有机相变材料,采用步冷曲线法测量并绘制了两种材料的二元平衡相图,得到二者最小共熔点混合质量比例是月桂酸为70%,硬脂酸为30%,此时混酸的相变温度为31.2℃,相变潜热为264.3 kJ/kg;为增强相变材料的热稳定性和导热性能,预防或缓解在熔解-凝固热循环中出现的蠕流分层现象,以质量比为70%月桂酸和30%硬脂酸形成的混酸为基本材料,添加具有三维网络结构的SiO2硅溶胶进行复合材料的调制和测试,结果表明,当SiO2在复合材料中所占质量比例为35%时,混酸完全被四面体状的SiO2所包覆固定,形成稳固的相变主体。多次循环实验显示,复合相变材料的相变温度为30.8℃,相变潜热值为104.1 kJ/kg,虽然相变潜热值有所降低,但热稳定性大大增强。     

The comparison of dented pipeline displacement calculation methods

According to dent defects on pipeline, the depth criterion cannot meet demands of oil and gas industry, so dent evaluation system based on strain is proposed. In order to obtain strain value for evaluation, the profiles of dent defects must be drawn accurately to obtain accurate displacement. The linear superposition of general solution for beam, beam on Winkler foundation, bivariate polynomial function and modified cubic spline interpolation are used respectively to simulate and calculate actual displacement of dented pipeline, and compare with results of finite element. We can know from the analysis and comparison, the result of modified cubic spline interpolation is more approximate to actual displacement of dented pipeline, which is significant for further calculating strain value of pipeline and evaluating integrity of dented pipeline.     

Evaluation of solid-liquid interface profile during continuous casting by a spline based formalism

A numerical framework has been applied which comprises of a cubic spline based collocation method to determine the solid-liquid interface profile (solidification front) during continuous casting process. The basis function chosen for the collocation algorithm to be employed in this formalism, is a cubic spline interpolation function. An iterative solution methodology has been developed to track the interface profile for copper strand of rectangular transverse section for different casting speeds. It is based on enthalpy conservation criteria at the solidification interface and the trend is found to be in good agreement with the available information in the literature although a point to point mapping of the profile is not practically realizable. The spline based collocation algorithm is found to be a reasonably efficient tool for solidification front tracking process, as a good spatial derivative approximation can be achieved incorporating simple modelling philosophy which is numerically robust and computationally cost effective.     

石蜡/改性硅藻土复合相变储能材料的制备及性能研究

以石蜡为相变储能材料,改性硅藻土为载体,无水乙醇为溶剂采用溶液插层法制备了石蜡/改性硅藻土复合相变储能材料,利用综合热分析仪(TG-DSC)测定了复合材料的相变温度、相变潜热及复合材料的热稳定性,通过扫描电镜(SEM)、FT-IR分别对复合材料的微观结构及兼容性进行了表征,结果表明:复合相变储能材料中石蜡的适宜含量为65%,此时相变温度为53.7℃,相变潜热为147.93J/g,复合材料具有良好的热稳定性和兼容性。