復合相變材料蓄放熱性能分析及研究

李 強 蔡有杰 王成宇 吳志東 杜國軍

(齊齊哈爾大學 機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

隨著科學技術的發展，人們的生活水平日益提高，能源的綜合利用顯得越來越重要。“南果北種”是現代農業發展的一種普遍趨勢，也是發展高附加值、高效農業的可行之路。然而北方冬季室外溫度較低，農作物不能在室外種植，作為“菜籃子”工程的溫室大棚需要供熱，為反季節蔬菜的生長提供保證，溫室室內環境操控逐漸向節能、環保、智慧農業方向邁進[1]。研究將相變材料與新型發熱材料有機結合，提高材料的蓄放熱性能達到能源有效合理利用的目的，一直以來是國內外學者研究的主要課題[2]。

1 復合相變材料特性與選取

按蓄熱的原理不同，常用的熱量儲存分為顯熱蓄熱和潛熱蓄熱兩類。當今普遍采用的顯熱蓄熱形式又分為水箱蓄熱及巖石堆積床蓄熱等等。顯熱蓄熱的原理是通過蓄熱材料的溫度變化來吸收或放出熱量，而潛熱蓄熱的原理是通過相變材料的相變來達到蓄散熱的目的。

相變儲熱可以分為固-液相變、液-氣相變和固-氣相變。到目前研究為止，只有固-液相變具有較大的實際應用價值[3]。通常采用的相變材料包括結晶水合鹽、石蠟等。蓄熱技術是提高能源利用效率和保護環境的重要技術，可用于解決熱能供給與需求失配的矛盾，在太陽能利用、電力“移峰填谷”、廢熱和余熱的回收利用以及工業與民用建筑和空調的節能等領域具有廣泛的應用前景，是世界范圍內的研究熱點。本研究采用半精制石蠟作為相變材料進行實驗，石蠟是固態高級烷烴的混合物，主要成分的分子式為CnH2n+2，其中n=17～35。主要組分為直鏈烷烴，還有少量帶個別支鏈的烷烴和帶長側鏈的單環環烷烴，重要的性能指標是熔點、含油量和安定性，所選石蠟的熱性能參數如表1所示。

表1 所選石蠟的熱性能參數Tab. 1 Thermal performance parameters of the selected paraffin wax

發熱體有電熱絲發熱體、鹵素管發熱體、石英管發熱體、電熱膜發熱體等。石墨烯是二維原子尺度六角形的碳同素異形體，是一個無限期的大芳香分子，具有超導電、超導熱、輕薄、遠紅外輻射散熱等許多優點，一般鋪設在管壁上，安裝方便，本實驗將石墨烯、石蠟、 乳化劑按一定比例與水混合，所選石墨烯參數如表2。

表2 所用石墨稀的基本參數Tab. 2 Basic parameters of graphene

所選乳化劑為TX-10乳化劑，為O/W(油>水)型， 具有良好的乳化、分散、穩定、潤濕、抗靜電性能。乳化劑主要參數見表3。

表3 TX-10乳化劑的基本參數Tab. 3 Basic parameters of TX-10 emulsifier

2 復合材料的制備與實驗

2.1 復合相變材料的制備

取上述半精制石蠟、石墨、乳化劑、水，在常溫下按質量百分比分別為51.1%、10%、18.9%、10%的比例進行配制，通過差示掃描量熱儀和熱常數分析儀量出復合材料的溫度為22.82 ℃，相變潛熱為2.96 J/g，導熱系數為1.520 W/(m·K)。將其密封于300×150×300(mm)如圖所示的蓄放熱實驗裝置中進行實驗，并和同樣質量的密封于該裝置中的水進行對比。

圖1 復合相變蓄放熱實驗裝置結構簡圖(單位：mm)

2.2 復合相變材料的蓄放熱性能實驗

在復合相變蓄放熱裝置的入風口面平鋪粘有和其下底面積同樣尺寸的薄膜電加熱器，在其出風口的上表面上布有8片貼片式熱電阻。采用探針型 Pt100 熱電阻溫度傳感器，熱電阻上部引線連接數據采集模塊，按一定的時間間隔測得封裝相變復合材料與封裝水兩種情況下溫度與時間的對應關系如圖2所示。

1. 水蓄散熱 2. 相變蓄熱陶瓷蓄散熱

3 實驗結果及其討論

依據圖2所示兩種蓄散熱材料溫度變化曲線可以看出，復合相變材料在加熱吸收熱量儲能過程中主要經過3 個過程的三個相區，也就是固相區(一相區)、固液混合相區(二相區)及液相區(三相區)。復合相變材料吸熱在一相區時，復合相變實驗箱測試表面溫度從初始溫度逐漸上升石蠟材料的相變點溫度47 ℃，原因是此時石蠟還沒有達到熔化的相變溫度，這個過程為顯熱換熱過程；隨后蓄熱箱內溫度提高變得平緩，此時為潛熱換熱過程；當溫度超過石蠟熔化溫度后，復合相變材料中石蠟完全熔化，相變蓄熱陶瓷散熱裝置溫度又出現迅速上升，由于此時石蠟熔化過程已經完成，又變為顯熱換熱過程；溫度穩定在控制的80 ℃ 左右。而在這一過程中水蓄散熱實驗箱溫度升高較快，當溫度接近80 ℃左右的時候，在控制系統控制下，在這一溫度相對穩定，在散熱時，水蓄散熱箱的溫度下降同樣較快，其間沒有溫度變化平緩的時段，直到降至常溫。其中主要原因是因為水在蓄熱過程完全是顯熱換熱過程，整個過程沒有潛熱換熱存在[9-10]。在放熱過程中，開始時段，石蠟的溫度下降仍然平緩降低，持續時間較長，可達到水蓄熱箱的2倍以上，最后保持在穩定狀態。

4 結論

通過實驗比較，復合相變材料比水蓄熱性能提高2倍以上，所用的石蠟、石墨烯、乳化劑具有清潔、無污染，能夠最大化解決熱能的儲存和釋放時間空間矛盾，且熱能利用具有一定的可控性，在現代智慧農業發展中，節能環保，大大增加熱效率的提高程度。