几种相变蓄冷材料热物性参数的对比分析

王 华， 左承基

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009）

近年来，随着国家对电力“削峰填谷”的大力提倡，蓄冷技术已经越来越广泛地应用在大型中央空调系统中，收到了显著的社会效益和经济效益［1－2］。相变蓄冷技术主要是利用相变材料的相变潜热对冷量储存与释放，解决冷量供求在时间上和空间上不匹配的矛盾［3］。

相变蓄冷材料（Phase Change Materials for Cool Storage）在整个蓄冷技术中处于核心地位。目前使用较多的是冰蓄冷技术，但是由于冰的相变温度为0℃，且存在过冷等问题，所以制约了能量的使用率和应用范围，文献［4－10］对低温相变蓄冷材料进行了一系列研究。因此寻找适合的低温相变蓄冷材料对整个蓄冷技术的普及推广有着重要的意义。

本文主要针对相变温度在0℃以下的共晶盐相变材料氯化钠、氯化钾、蔗糖和乙醇水溶液分别进行了研究，得出相变温度和相变潜热与质量分数之间的变化规律，为配制新的相变材料提供了一定的参考依据。

1 实验装置及方法

1.1 实验装置

为了较准确地测量出各材料的相变温度以及相变潜热，本文采用目前较为理想的差示扫描量热仪。其基本原理是通过程序控制温度、测量样品和参比物的功率差与温度关系。

1.2 实验方法

溶液按质量分数配制样品，现配现用，样品质量用高精度天平称取10mg。样品皿采用标准液体铝皿，先用纯水清洗并烘干待用。实验前，先对试样以20℃／min快速升温降温，重复几次以消除其热历史。然后调至实验起始温度10℃，保温3min，稳定后以5℃／min的速率开始降温，同时开始采集数据，温度降至－20℃后再以5℃／min的速率升温至10℃，通过计算机采集数据得到冻结曲线和融化曲线。

数据采集完毕后采用热分析软件Advangtage对数据进行处理，可得到如图1所示的DSC曲线。

图1 样品DSC曲线图

2 实验结果与分析

根据DSC曲线，记录不同质量分数的氯化钠、氯化钾、蔗糖、乙醇水溶液的物性参数，见表1所列。

（1）氯化钠水溶液热物性分析。由表1可以看出，氯化钠水溶液的相变潜热随着其质量分数的增加而逐渐减小，在质量分数较低时，其相变潜热比较大。

氯化钠水溶液的相变温度随着其质量分数的升高而逐渐增加，故其相变温度具有很好的可调性。当氯化钠水溶液的质量分数≤6%时，其相变潜热值较大（≥250J／g）。

（2）氯化钾水溶液热物性分析。由表1可以看出，氯化钾水溶液的相变潜热随着其质量分数的变化波动很小，始终保持在300J／g以上，但质量分数增加后仍有略微降低的趋势。氯化钾水溶液的相变温度随着其质量分数的升高几乎不变，结合其相变潜热值，氯化钾水溶液适合做－10℃左右的相变蓄冷剂。

（3）乙醇水溶液热物性分析。由表1可以看出，乙醇水溶液的相变潜热随着其质量分数的升高而逐渐减小，与其他溶液相比潜热较小。乙醇水溶液的相变温度随着其质量分数的升高而逐渐增加，相变潜热值较小（w≥6%时，相变潜热＜200J／g）。

（4）蔗糖水溶液热物性分析。由表1可以得出，蔗糖水溶液的相变潜热随着其质量分数的增加而逐渐减小，但其相变潜热始终保持在200J／g以上。当蔗糖的质量分数较低时，其相变潜热在300J／g左右。

蔗糖水溶液的相变温度随着其质量分数的升高而逐渐降低，但是维持在－2℃左右。

（5）对比分析。由表1可看出，氯化钾和蔗糖水溶液不同质量分数的相变潜热值均比较大，是比较理想的相变材料。氯化钠水溶液的质量分数≤6%时，相变潜热可以加以利用（≥250J／g）。乙醇水溶液的相变潜热值较小，不是理想的相变材料。

对于氯化钠水溶液，其相变温度始终维持在－10℃左右，相应的潜热值也维持在300J／g以上，是4种材料中潜热最大的。对于氯化钠水溶液，其相变温度具有很好的可调性。

对于蔗糖水溶液，其相变潜热大于相同质量分数的氯化钠水溶液，但是相变温度的可调性较氯化钠溶液稍差，所以可以采用氯化钾水溶液作为主蓄冷剂，通过添加一定量的氯化钠或者蔗糖水溶液调节相变温度，来配制既有较大相变潜热又有合适相变温度的低温蓄冷材料，以满足实际需求。

表1 不同质量分数下各水溶液的相变潜热和相变温度

3 结 论

（1）共晶盐溶液作为相变蓄冷材料时，相应溶液的质量分数越低，其相变潜热越大。

（2）同质量分数的氯化钾水溶液作为相变蓄冷材料，具有比其他共晶盐溶液更大的相变潜热，所以氯化钾水溶液可以作为相变温度在－10℃左右的蓄冷材料。

（3）氯化钠水溶液的相变温度随质量分数变化具有很好的可调性，适宜用来作为调节相变温度的添加剂。

（4）蔗糖水溶液的相变潜热较大，其相变温度在不同质量分数时维持在－2℃左右，适宜作为相变温度在－2℃左右的蓄冷材料。

（5）乙醇水溶液的相变潜热较小，不是理想的相变蓄冷材料。

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