复合相变蓄冷材料研究进展及在冷链物流中的应用

分析了国内关于有机、无机、有机-无机等复合相变蓄冷材料在材料成分、制备方法及过程、蓄冷特性、特点及效果、应用对象等方面的研究进展;梳理了相变蓄冷材料在冷链物流中的典型应用现状;并对相变蓄冷材料及在冷链物流中的应用进行了展望。     

硫酸钠水合盐相变蓄冷材料的制备及性能优化

针对空调系统应用场合,提出一种以十水硫酸钠（sodium sulfate decahydrate,SSD）为主材的相变蓄冷材料新型制备配方,并对材料的各方面性能加以优化。首先采用步冷曲线法确定成核剂比例,消除材料过冷现象,在此基础上研究分析了不同种类、含量的增稠剂[聚丙烯酸钠（PAAS）、聚丙烯酰胺（PAM）、羧甲基纤维素（CMC）、聚阴离子纤维素（PAC）、黄原胶（XG）]对材料相分离及相变潜热的影响,接着加入熔点控制剂氯化铵、氯化钾改变十水硫酸钠的相变温度,调配出满足空调温区的相变材料,最后加入膨胀石墨（expanded graphite,EG）进一步改善材料的导热性和稳定性,并进行了热循环测试。结果表明：添加质量分数3%的硼砂对降低材料过冷度效果最佳;添加质量分数1.0%~2.0%的PAAS可以消除材料的相分离现象,且对材料的相变潜热影响较小。SSD-BPA∶EG质量比为93∶7时材料具有较高的导热性和形状稳定性。经优化后复合相变蓄冷材料的相变温度为7.4℃,相变潜热为117.4J/g,热导率为1.876W/(m·K),经200次循环后材料的相变温度保持稳定,潜热衰减率为14.05%。     

相变蓄冷浆体材料研究进展

相变蓄冷浆体材料具有良好的流动性和高蓄冷密度,既可用作蓄冷材料,也可作为载冷剂来输送冷量,应用前景广阔。相变蓄冷浆体材料包含冰浆、笼型水合物浆体、微胶囊乳液、相变乳状液和微乳液等,其中笼型水合物又包含CO₂水合物、有机制冷剂水合物和季盐类水合物。本文综述了上述相变蓄冷浆体材料的基础物性、制备方法和流动传热特性,并介绍了水合物浆体生成的强化以及浆体流动特性的改善研究,分析比较了几种相变蓄冷材料的优缺点,列举了浆体材料在蓄冷空调系统中的典型应用,并指出了蓄冷技术未来的发展趋势,如尿素–水,乙醇–水和乙二醇–水等自然工质良好的热学性能均为其制备相变蓄冷材料提供了可能。     

相变蓄冷材料在冷链物流中的研究进展

综述了相变蓄冷材料在冷链物流中的研究进展;介绍了冷链物流在我国的发展形势;总结了国内外关于相变蓄冷材料在组成成分、方法制备、蓄冷性能及应用效果等方面的研究概况;梳理了关于冷链物流过程中的各种储运设备在结合相变蓄冷材料前后的性能对比,对相变蓄冷材料在冷链物流中的应用发展前景做出了展望。     

月桂酸-正辛酸低温相变材料的制备和循环性能

相变材料在蓄冷空调系统中具有广阔的应用前景。文中利用步冷曲线法绘制了月桂酸-正辛酸溶液的相图,找到了月桂酸-正辛酸溶液的共融点,其质量比为21∶79。经差示扫描量热仪(DSC)测试得到相变温度为7.0℃,相变潜热130.8 kJ/kg,可以作为相变材料使用。对该相变材料进行充冷和放冷的实验后,用DSC测得其循环20次的相变温度为7.58℃,相变潜热为134.4 kJ/kg,循环到40次的相变温度为7.73℃,相变潜热为134.0 kJ/kg,循环稳定性能良好,适合作为蓄冷空调用低温相变材料。     

高吸水性树脂复合相变材料的冻融特性

高吸水性树脂广泛应用于农、林、工业及日常生活等领域,但对它的蓄冷性能及它在食品保鲜中的应用研究较少。本文研究了高吸水树脂复合相变蓄冷材料的冻融特性、相变潜热。结果表明：高吸水树脂复合相变蓄冷材料比冰蓄冷剂的保冷时间长,相变潜热也比冰蓄冷剂的高,为427 kJ/kg。本文还尝试将高吸水树脂复合蓄冷剂应用于果蔬的蓄冷保鲜,并初步设计了保鲜盒的结构,为高吸水树脂在食品保鲜中的应用提供了理论依据。     

空调相变蓄冷技术实验测试与分析

相变蓄冷系统兼备冰蓄冷系统和水蓄冷系统的特点,该技术克服了普通离心空调机组蒸发温度难以达到0℃以下、城市土地紧张无法建设大容积蓄冷槽等现实问题,为中央空调系统等提供一种更高效的蓄冷技术.     

空调用纳米有机复合相变蓄冷材料制备与热物性

针对目前空调用有机相变蓄冷材料热导率低的问题,将具有高导热性的纳米材料(MWNTs、Al₂O₃、Fe₂O₃)添加到所开发制备的二元复合有机蓄冷材料(质量比73.7:26.3的辛酸/肉豆蔻醇)中,从纳米材料的种类和浓度两方面,研究其对复合有机蓄冷材料热物性的影响。实验发现:对于MWNTs、Al₂O₃、Fe₂O₃ 3种纳米材料,当其质量分数分别小于0.3%、0.4%、0.8%时,对应纳米复合材料热导率随纳米材料浓度的增加幅度较为明显;与原二元复合有机相变蓄冷材料相比,添加0.3%的MWNTs,热导率提高26.3%;添加0.4%的Al₂O₃,热导率提高13.1%;添加0.8%的Fe₂O₃,热导率提高32.1%;当在一定纳米材料质量分数(如0.7%)下,加入纳米颗粒的复合材料导热性能效果依次为Fe₂O₃>MWNTs>Al₂O₃。不同纳米粒子的添加对原蓄冷材料的相变温度和相变潜热影响很小,相变温度变化波动最大为0.4℃,相变潜热变化波动范围最大为1.4%。     

中温相变蓄热系统强化传热方法研究进展

中温相变蓄热系统在太阳能热利用、余热回收等领域有广泛的研究与应用前景,但相变材料较低的热导率严重削弱了相变蓄热系统的热响应速率和蓄放热效率。针对这一问题,本文从提高传热系数、拓展传热面积、增大平均温差3个方面对近年来中温相变蓄热系统强化传热方法进行了综述。通过分析可以看出,通过导热增强填料对相变材料进行改性时,应注意填料对导热和对流的共同作用,综合考虑填料对热导率、蓄放热时间等性能的影响;直接式相变蓄热系统重量轻,传热效率高,适合应用在移动式相变蓄热车中;梯级相变蓄热系统符合能量梯级利用理念,蓄放热效率高。在未来研究中,对导热增强填料的进一步改性、直接式相变蓄热系统、梯级相变蓄热系统及多种技术协同强化传热的作用机理和强化传热效果还有重要研究潜力与价值。     

矿工降温服蓄冷材料的实验研究

矿工降温服的研制与应用对于解决矿山人员的防暑降温具有重要意义,而蓄冷材料作为矿工降温服的重要组成部分,其性能决定降温服的使用效果。用差示扫描量热仪(DSC)测定该蓄冷材料的融点、相变潜热;用低温冰箱测试凝固融化过程材料的均匀稳定性。实验结果表明,矿工降温服所采用的复合蓄冷材料相变温度为-5.1℃,融解潜热242.1J/g,具有相变温度合适、相变潜热大且重复性好的特点,适合用作矿工降温服的蓄冷材料。     

高吸水性树脂在蓄冷材料中的应用研究

本文对高吸水性树脂－水体系的冷冻－熔融性能、蓄冷能力等进行了研究,实验表明,它的蓄冷性能与水－冰体系相当。加工成的高吸水性树脂－水体系的薄片,传热面积大,传热效果好,作蓄冷材料应用于冷空调系统,比水－冰系统的传热性能好。     

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。     

相变储热的传热强化技术研究进展

相变储热技术具有储热密度大、相变温度稳定以及过程容易控制等优点,具有广泛应用前景。相变储热技术在应用中需完成热能的储存与释放过程,其传热特性直接决定应用效果。储热技术的传热强化主要包括三个方面：一是相变材料本身的导热强化;二是潜热型功能热流体的对流传热强化;三是储热器的传热强化。本文综述了国内外在相变储热技术的传热强化研究方面的进展,主要介绍了膨胀石墨、泡沫金属等复合相变材料的导热强化,相变微胶囊及相变微、纳米乳液潜热型功能热流体传热强化以及管壳式储热器、板式储热器、螺旋盘管储热器等储热器的传热强化。文章指出,膨胀石墨基复合相变材料具有高热导率、大储热密度以及良好的定型特性,且价格低廉,极具应用前景。纳米乳液功能热流体具有表观比热容大、流阻较小等优势,但存在稳定性较差、过冷度大等问题。板式储热器具有较大的传热面积、较高的传热功率,适宜应用于相变材料传热系统。但应用背景不同,针对不同场景提供不同储热器的选型及指导值得作进一步的研究。     

十水硫酸钠相变蓄冷材料的制备及性能研究

针对果蔬保鲜冷链运输对温度的要求,制备出一种具有适宜相变温度和潜热值的十水硫酸钠相变蓄冷材料。本研究考察了成核剂硼砂的含量对材料过冷度的影响,分析了增稠剂聚丙烯酸钠的含量对材料相分离问题的改善效果,探究了氯化铵和氯化钾的配比对材料蓄冷温度的调节效果,并进行了冷热循环测试。结果表明,十水硫酸钠水合盐体系的最优配比为：4%硼砂+0.75%聚丙烯酸钠+15%氯化铵+5%氯化钾,此时相变体系基本无过冷和相分离,相变温度为11.42℃,相变焓为97.99J/g,经过30次冷热循环后相变温度和焓值基本没有发生变化。     

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。     

气体水合物相变热研究进展

气体水合物作为一种特殊的相变材料,在形成与分解过程中会发生相态改变并伴随着相变热的变化。本文从气体水合物相变热的测定和应用两个方面对气体水合物相变热的研究现状进行了综述。对比分析了两种确定气体水合物相变热的方法,两种方法分别为差示扫描量热仪(DSC)实验直接测定法和基于相平衡的Clausius-Clapeyron方程间接计算法。综述了气体水合物相变热的应用研究现状,尤其是在空调蓄冷技术中的应用,其中气体水合物空调蓄冷技术从蓄冷工质和蓄冷装置两个方面进行了阐述。指出了气体水合物相变热应用研究中的重点和难点,为气体水合物相变热应用的进一步发展提供参考。     

有机相变蓄冷材料中碳纳米管添加剂性能实验研究

针对有机相变蓄冷材料导热系数低、传热性能差的缺点,采用向其中添加碳纳米管,通过超声分散法及添加分散剂制备稳定分散液来改善其导热性能。对分散剂的种类、碳纳米管的质量浓度、超声时间和分散剂的浓度对碳纳米管分散稳定性的影响及添加碳纳米管对导热性能的影响进行了实验研究。研究结果表明,分散剂对碳纳米管悬浮液的稳定性具有关键作用,十二烷基苯磺酸钠(SDBS)是一种比较理想的分散剂,碳纳米管稳定分散悬浮液的最佳制备条件为:碳纳米管质量浓度0.4 g/L;分散剂SDBS质量浓度0.2 g/L;超声时间80 min。通过在有机相变蓄冷材料加入碳纳米管可以有效增大其导热系数。     

新型微通道平板热管蓄冰性能

将微通道平板热管应用于蓄冰技术，设计了一种新型热管蓄冰装置，介绍了该装置的结构和工作原理，搭建了热管蓄冰实验台。对微通道平板热管作为蓄冰装置核心传热元件的适用性进行了实验验证，并对采用R141b和丙酮两种不同沸点工质热管的蓄冰装置在蓄冰过程中的温度分布、蓄冷功率、蓄冷量和蓄冷能量密度等特性进行了对比分析。实验结果表明，微通道平板热管蓄冰装置具有良好的蓄冷性能，相同时间内，R141b和丙酮热管的平均蓄冷功率分别为0.14 kW和0.187 kW，单位质量蓄冷量分别为139.22 kJ·kg^-1和184.33 kJ·kg^-1；丙酮比R141b热管具有更好的均温性能和传热能力，蓄冰性能更好；丙酮和R141b热管结构蓄冰装置的蓄冷能量密度分别为22.54 J·K^-1?kg^-2和17.61 J·K^-1?kg^-2，性能优于圆形热管蓄冰装置。     

相变蓄冷材料的合成及性能研究

研究了不同无机盐对单一无机盐水溶液最低共熔点的影响,结果表明:添加无机盐可降低单一无机盐水溶液的最低共熔点;添加5％无机盐Kx可以使10．9％KNO3水溶液的最低共熔点从-2．5℃下降到-5．4℃,其相变潜热为307．16 kJ／kg,从而开发出一种新的铁路冷藏车相变蓄冷材料。     

纳米相变微胶囊在蓄热结构化填充床中的应用模拟

利用相变材料的潜热储能，是解决可再生能源不连续问题的有效途径之一。以钛酸四丁酯（TBT）为前体，采用界面水解-缩聚法制备了纳米相变微胶囊。纳米相变微胶囊的热导率提高到原材料的215%，约为0.43 W/（m·K），相变温度为42.4℃，相变潜热达到234.7 J/g，纳米相变微胶囊强化了相变材料的传热性能蓄热，适用于太阳能热水系统。建立了三维计算模型，利用Fluent软件对填充床进行了数值模拟，研究了顺排结构（SS）和叉排结构（CS）填充床的蓄/放热性能。分析了两种结构化填充床在不同流速下，液相率、温度场和蓄/放热功率的变化情况。结果表明，随着流速的增大，SS和CS的熔化/凝固速率均加快。在相同流速下，CS比SS熔化/凝固更快。SS和CS在不同的阶段升温速率不同，与SS相比，CS的温度变化更加均匀。在较低流速（2 L/min）下，SS和CS蓄/放热持续时间较长，变化较小。在不同的流速（2、4和6 L/min）下，CS的峰值蓄热功率是SS的1.7倍～1.9倍，峰值放热功率是SS的1.8倍～2.0倍。