改善定形相變材料導熱性能的實驗研究

王永雙　王榮　彭維

【摘 要】定形相變材料的發展給予了建筑節能和儲能領域新的出路，相變材料的導熱性能是儲能研究的關鍵問題之一，現有相變材料導熱系數較低，經濟有效地改善定性相變材料的導熱性能是值得深入研究的熱點問題。本文通過摻混不同粒徑的沙子、土壤，實驗結果表明所采取的摻混方法均在不同程度上明顯的改善了相變材料的導熱性能。

【關鍵詞】相變材料；導熱性能；實驗研究

中圖分類號： TB33 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）25-0148-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.068

【Abstract】The development of shape-stabilized phase change materials has given a new outlet to the field of building energy conservation and energy storage. The thermal conductivity of phase change materials is one of the key problems in energy storage research. In this paper， sand and soil with different particle sizes are mixed， and the experimental results show that the mixing methods adopted have significantly improved the thermal conductivity of the phase change materials to different degrees.

【Key words】Phase change materials；Thermal conductivity；Experimental study

0 引言

相變材料（PCM）主要是利用相變潛熱儲存能量（包括冷和熱）材料，定形相變材料是利用封裝技術將相變材料封裝于不同粒徑和結構的材料中，發生相變時材料的體積不發生變化，也不存在相變材料泄露等問題，并且儲能密度大，溫度穩定。鑒于上述顯著優點，定形相變材料在建筑節能領域，尤其是被動式節能方面具有廣闊的應用前景，為營造舒適的人居環境提供技術支撐。但是，目前的定形相變材料由于相變材料本身和封裝材料的性質，決定了制成的相變材料導熱系數很低，一般在0.1～0.3W·m-1·k-1[1]。

相變材料導熱系數低，將會導致能量在蓄存和提取時需要的時間長，過程緩慢，提高蓄能和釋能的速率是現階段研究的重點。綜合現有文獻，目前的采取的方法主要是往蓄能材料中添加金屬顆粒或金屬絲（金、銀、銅等）、石墨烯、碳納米管等等，這些方法雖然可以在不同程度上提高定形相變材料的導熱系數，但是，具有共同的特點就是對添加材料要求高，而且價格相對較高。

針對以上問題，本研究使用沙石、土壤等廉價易得的材料添加進入定形相變材料，力求以最低的成本去更好的改善定形相變材料的導熱性能。

1 實驗材料

針對夏季夜間蓄冷情況，本研究選用德國RUBITHERM的PX系列材料[2]，相變材料的相變溫度區間為：2～5℃，蓄能密度110KJ/Kg，比熱容2KJ/（Kg·K），熱傳導率0.2W/（m*K）。該相變材料是粉末狀相變材料，由有機相變材料和支撐材料復合制成，相變材料含量為70%，粒徑為250微米。該定形相變材料性能如下：（1）儲能密度高；（2）無明顯過冷現象，無毒無污染；（3）材料相變循環穩定，使用年限長。

2 實驗方法

本實驗研究選用最常見的沙子和黏土作為與定形相變材料摻混的輔助材料，為研究不同粒徑不同導熱系數材料對相變材料導熱系數的改善情況，基于顆粒為250μm直徑的相變材料，選擇粒徑為10μm～3mm粘土、沙子，使用標準篩分成粒徑范圍為：1000μm～2000μm，600μm～1000μm，450μm～600μm，355μm～450μm，200μm～355μm，100μm～200μm，50μm～100μm，將相變材料與沙子、粘土分別按照9：1，7：3，5：5的摻混比摻混均勻，配成樣本，編號記錄。

3 實驗裝置

3.1 試驗裝置介紹

將配置好的不同摻混比例的材料放入自制的套管式導熱性能測試試驗臺的測試單元中，測試單元如圖1所示。其中，冷媒管路提供冷量，蓄能單元溫度幾乎不發生改變時，認為蓄能完成，待中心溫度測點恢復初始狀態時，停止測試，全程記錄實驗數據。

3.2 實驗測試用傳感器的標定

本實驗采用NTC傳感器、采集模塊以及計算機組成的測量系統對各關鍵點的溫度進行測量，封裝好的NTC傳感器精度高、防水、耐用。將NTC傳感器、采集模塊以及計算機連接完成后，對傳感器進行標定，從10只傳感器中選出8只傳感器。8只傳感器的測量誤差如圖2所示，可以看到測試系統的誤差在±0.3℃之間，并且4個傳感器正偏差、4個傳感器負偏差，誤差隨機分布。挑選2號、4號、6號、7號和8號傳感器作為實驗臺的測試用傳感器，以求實際測量中的誤差盡可能小[3]。

4 實驗結果及分析

實驗首先對純相變材料進行測試，如圖3和圖4所示，純PX4相變材料蓄冷和釋冷過程中，在2～6℃范圍內發生相變，溫度上升緩慢。在蓄冷和釋冷起始階段和末尾階段，相變材料的溫度降低和升高趨勢明顯，此階段已經變成顯熱的蓄存和釋放階段。圖3中環境溫度的波動是為了給壓縮機和冷凝器提供一個更好的運行條件，在冬季運行時打開窗戶造成的。

理論上，可以將顆粒物近似看成球體，傳熱有三種基本方式，即熱傳導、熱對流和熱輻射，混合材料即可理解為大大小小球狀顆粒的堆積，它們之間的熱傳遞三種方式都有，對流和輻射存在于顆粒與顆粒之間的空隙，而在蓄能容器中，空氣間隙中的空氣幾乎不流動，可以忽略對流的影響。由于熱輻射主要受溫度的影響，追求的小溫差甚至是無溫差換熱，溫差引起的熱輻射也暫時忽略。故而導熱是主要的形式。根據傅里葉定律[4]，在某一方向的熱流量可以用下式來表示：

式中：Q——熱流量，單位為W；K——導熱系數，W/m·K；A——傳熱面積，單位為m2；T——溫度，單位為K；x——在導熱面上的坐標，單位為m。

從上式分析可以看出，當單一物質的導熱系數確定，溫度場也一定的情況下，只有改變接觸面積，才能增大熱流量。對于相變材料、砂石及粘土材料均為顆粒物質，經過摻混不但改變了導熱系數，也改善了接觸面積。選取5：5摻混為例進行分析，如圖5所示，可以看出粘土、沙子等材料明顯的改善了純相變材料的導熱性能，在同一時刻，溫度明顯升高。但是，在提高導熱系數的同時，也降低了儲能密度，這是需要進一步考慮和解決的問題。

5 結論與展望

通過實驗結果的研究和分析，可以得出如下結論：

（1）本文采用的方法經濟有效，摻混沙子、土壤有效的改善了定形相變材料的導熱性能。

（2）同一粒徑不同材料的同一摻混配比下，摻混材料導熱系數越大，對定形相變材料導熱性能的改善程度越明顯。

（3）不同粒徑的摻混材料改善定形相變材料導熱性能的能力有差別，造成差別的原因和機理有待進一步研究。

（4）摻混其他材料在提高導熱系數的同時會降低相變材料的蓄能密度，如何從經濟和技術角度平衡蓄能量和蓄能釋能速度的關系是需要關注的問題。

致謝

本研究由新疆大學2017年度大學生創新訓練計劃項目“改善定形相變材料導熱性能的實驗研究”（項目編號：201710755024）提供資助，在此表示感謝。

【參考文獻】

[1]Alva，G.，et al.An overview of thermal energy storage systems[J].Energy2018（144）：341-378.

[2]http：//www.ruhrtech.com/product_content.aspx？id=4.

[3]方修睦.建筑環境測試技術.第2版[M].北京：中國建筑工業出版社.2008.

[4]趙鎮南.傳熱學.第2版[M].北京：高等教育出版社.2008.