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。     

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。     

相变蓄冷材料及系统应用研究进展

相变蓄冷技术利用相变材料在相变时伴随着的吸热或放热过程对能量进行储存和应用,起到控制温度、降低能耗和转移用能负荷的作用。本文综述了相变温度在25℃以下的相变蓄冷材料及其在不同应用场景的筛选依据,介绍了相变蓄冷材料在食品医疗冷链物流、建筑节能控温与数据中心应急冷却、人体热管理和医疗保健的相变纺织品等领域的应用。从调节相变蓄冷材料相变温度、过冷度、热导率和循环稳定性等方面总结了材料热物性的调控策略,分析了不同调控策略存在的优缺点,指出相变蓄冷系统可通过增强蓄冷系统热导率和强化传热结构来改善普通材料传热性能差的问题。最后从复合相变材料制备到系统设计优化和应用场景拓展等方面对相变蓄冷技术研究方向进行了展望。     

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%。     

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。     

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。     

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(NH_4Cl)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∶NH_4Cl∶H_2O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TiO_2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TiO_2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-NH_4ClH_2O+0.40%(质量分数)TiO_2+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。     

石墨烯纳米流体相变材料蓄冷特性的数值模拟

鉴于石墨烯高导热性能的特点,将石墨烯纳米流体作为相变材料有望提高蓄冷效率。本文对水基石墨烯纳米流体相变材料的凝固特性进行了数值研究,采用焓-多孔度法追踪固液相界面,分析了石墨烯纳米片质量分数、蓄冷腔体尺寸和几何形状对凝固时间和相界面演化的影响。结果表明,相变材料凝固所需时间随着石墨烯纳米片质量分数的增大显著降低,对于直径为72mm的圆形蓄冷腔体,质量分数为1.2%的石墨烯纳米流体相变材料与去离子水相比凝固时间降低了30.1%,与已有的实验结果相符;随着圆形蓄冷腔体直径减小,石墨烯纳米流体凝固所需时间显著降低,但石墨烯纳米片对凝固的强化作用减弱;在腔体等截面积的情况下,三角形腔体内凝固过程的相界面移动速率明显大于圆形和方形腔体、更有利于促进凝固过程,3种形状腔体内初期凝固都发生在腔体底部、凝固中期相界面形状与腔体本身形状相似、凝固后期相界面趋近于圆形。     

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。     

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%。     

复合相变蓄热材料研制及性能分析

制备了一种复合相变蓄热材料,该蓄热材料是由两种相变材料(硬脂酸和石蜡油)组成,通过物理吸附的方法将其复合在固态支撑材料中,通过实验分析了所研制的蓄热材料的相变点、相变热、热稳定性及微相结构等性能。测试结果表明该蓄热材料具有较高的相变潜热和较好的热稳定性。     

微胶囊复合相变材料的制备及性能表征

以低熔点的相变材料为芯材,三聚氰胺脲醛树脂为囊壁材料,用原位聚合法制备了相变储能微胶囊。采用红外光谱、扫描电子显微镜、差示扫描量热分析和热重分析测试技术表征了制备的相变微胶囊的结构组成、形貌特征及热性能。实验结果表明,相变储能微胶囊复合相变材料热稳定性好,在160℃以下无质量损失,其相变温度和焓值分别为15.3℃,132.3 J/g。制备得到的微胶囊呈球形,平均粒径小于20μm,固化剂滴加速度为0.5 mL/m in时微胶囊形貌较佳,优化的芯/壁质量比为1∶1.5,且微胶囊的亲水性随芯材含量增加而降低。     

纳米复合相变蓄热材料的制备与特性

相变蓄热材料（phase change materials,PCMs）是相变蓄热技术研究的基础。针对普通相变蓄热材料热导率低的缺点,采用纳米技术改善石蜡的相变传热性能,从而提高其热导率及热扩散系数。通过纳米颗粒-石蜡复合材料熔化过程测试和纳米颗粒沉降过程观察,确定铜纳米颗粒和Hitenol BC-10分别作为实验用纳米颗粒和分散剂,在制备稳定的纳米铜颗粒-石蜡复合相变材料的基础上,对其热物性进行了实验研究。结果表明纳米铜颗粒的添加使得石蜡热导率增幅最大,实验测得固态纳米铜-石蜡热导率提高7.9%,液态提高3.8%,而固、液态热扩散系数则分别提高了20.6%和16%。     

Effects of thickeners on thermophysical properties of Alum as phase change material for energy storage

The main objective of this research is to characterize, via experimental analysis, the effects of thickeners on thermophysical properties of Alum (KAl[SO₄]₂·12H₂O) as phase change material (PCM) for energy storage. Six thickeners, including sodium carboxymethyl cellulose (CMC-Na), sodium polyacrylate (PAAS), polyacrylamide (PAM), polyvinyl alcohol, xanthan gum (XG) and methylcellulose (MC), are added in Alum. Then the thermophysical properties and the cycle stability are tested and analyzed by step cooling experiment, differential scanning calorimeter, hot disk, scanning electron microscopy, high-low temperature alternating test chamber, X-ray diffraction (XRD), and Fourier transform infrared spectrometer (FT-IR). The results showed that the adding of 2 wt% CMC-Na, 1 wt% PAAS, 2 wt% PAM, 5 wt% XG, and 1 wt% MC to Alum can effectively reduce the subcooling of Alum while still maintaining the latent heat at a high level. After stability test with 60 melting-solidification cycles, the results indicate that Alum with 1 wt% MC has the best thermal cycle stability and has the highest latent heat (230 J/g). The latent heat is only 8.1% lower than that of pure Alum after 1 cycle, and 11.1% higher than that of pure Alum after 60 cycles. The XRD, FT-IR, and thermogravimetry results show that it has good chemical and thermal stability.     

载体含量对NaNO3/硅藻土复合相变储热材料的性能影响规律

采用混合烧结工艺,通过改变硅藻土载体材料的质量分数制备5种不同参数的NaNO₃/硅藻土复合相变储热材料（CPCM）样品,并对其进行抗压强度测试、热物性测试、能谱表征、微观形貌观察及热性能分析。当硅藻土质量分数从30%增加到35%和40%时,样品抗压强度随之增加,表现出脆性材料特征,当达到45%和50%时,则表现出塑性材料特征。硅藻土的加入和混合烧结处理对NaNO₃的相变几乎没有影响。样品的热导率随温度升高而降低,在同一温度条件下,样品热导率均随硅藻土质量分数的升高基本呈上升趋势,但从30%增加到35%时,热导率的增幅大于从35%增加到50%时热导率的增幅,前者约为后者的8倍。与NaNO₃相比,样品在常温-相变前温度段和相变结束-最高温度段的平均比热容随硅藻土质量分数变化均出现先下降后上升的变化。硅藻土质量分数为35%时,样品内部结构致密,NaNO₃充分均匀吸附于硅藻土的分离独立小单元中。硅藻土质量分数为35%时样品具有较好的抗压强度和储热效果。     

含相变材料的定型复合建材储能调温及力学特性

使用微胶囊化和直接吸附法两种方式将相变材料与水泥结合分别制成了含相变微胶囊水泥基复合建材及含相变材料水泥基复合建材,搭建实验测试系统,对复合建材的调温储能特性进行了测试。微胶囊化相变材料和纯相变材料的加入对水泥基建材的微观结构形貌具有较为明显的影响。热重曲线显示纯水泥、相变微胶囊-水泥、相变材料-水泥试样的失重率依次增加,相变微胶囊-水泥式样的稳定性最好;复合成分所占质量分数相同时,相变材料-水泥试块强度略低于相变微胶囊-水泥试块;调温测试表明,在水泥中添加相变微胶囊颗粒或纯相变材料时均具有一定的调温储能功能,能明显减缓水泥基建材的温度在相变温度附近的波动;尽管直接吸附法制备的相变材料-水泥复合建材具有较好的调温性能,但其可循环性较差,伴有刺激性气味逸出,实用性较差。因此相变微胶囊-水泥复合较适宜作为新型建材推广使用。     

正十八烷/OBC/EG复合定型相变材料制备及热物性

针对正十八烷相变易泄漏的问题,采用烯烃嵌段共聚物（olefin block copolymer,OBC）作为封装结构,制备复合定型相变材料。并通过添加膨胀石墨（expanded graphite,EG）,改善其热导率低的问题。研究结果表明,当OBC的质量分数为20%时,复合相变材料未发现明显泄漏,定型效果较好,此时复合相变材料的相变焓为166.87 J/g,相较纯十八烷（227.40 J/g）下降26.62%。针对添加有不同质量分数EG的复合相变材料,其热导率随EG含量的增加而增大。其中当EG质量分数为5%时,复合相变材料热导率为4.179 W/(m?K),较纯相变材料热导率[0.24 W/(m?K)提高了约16倍,即EG能够有效提高复合相变材料的导热性能。此外,5%含量下的复合相变材料相变焓约为149.54 J/g,且在经历50次循环后,相变温度和相变焓均未有明显变化,即制备的复合相变材料具有较好的热稳定性。因此,该复合相变材料在建筑节能方面具有应用潜力。     

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。