复合相变材料蓄放热性能分析及研究

李 强 蔡有杰 王成宇 吴志东 杜国军

(齐齐哈尔大学 机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

随着科学技术的发展，人们的生活水平日益提高，能源的综合利用显得越来越重要。“南果北种”是现代农业发展的一种普遍趋势，也是发展高附加值、高效农业的可行之路。然而北方冬季室外温度较低，农作物不能在室外种植，作为“菜篮子”工程的温室大棚需要供热，为反季节蔬菜的生长提供保证，温室室内环境操控逐渐向节能、环保、智慧农业方向迈进[1]。研究将相变材料与新型发热材料有机结合，提高材料的蓄放热性能达到能源有效合理利用的目的，一直以来是国内外学者研究的主要课题[2]。

1 复合相变材料特性与选取

按蓄热的原理不同，常用的热量储存分为显热蓄热和潜热蓄热两类。当今普遍采用的显热蓄热形式又分为水箱蓄热及岩石堆积床蓄热等等。显热蓄热的原理是通过蓄热材料的温度变化来吸收或放出热量，而潜热蓄热的原理是通过相变材料的相变来达到蓄散热的目的。

相变储热可以分为固-液相变、液-气相变和固-气相变。到目前研究为止，只有固-液相变具有较大的实际应用价值[3]。通常采用的相变材料包括结晶水合盐、石蜡等。蓄热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，可用于解决热能供给与需求失配的矛盾，在太阳能利用、电力“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑和空调的节能等领域具有广泛的应用前景，是世界范围内的研究热点。本研究采用半精制石蜡作为相变材料进行实验，石蜡是固态高级烷烃的混合物，主要成分的分子式为CnH2n+2，其中n=17～35。主要组分为直链烷烃，还有少量带个别支链的烷烃和带长侧链的单环环烷烃，重要的性能指标是熔点、含油量和安定性，所选石蜡的热性能参数如表1所示。

表1 所选石蜡的热性能参数Tab. 1 Thermal performance parameters of the selected paraffin wax

发热体有电热丝发热体、卤素管发热体、石英管发热体、电热膜发热体等。石墨烯是二维原子尺度六角形的碳同素异形体，是一个无限期的大芳香分子，具有超导电、超导热、轻薄、远红外辐射散热等许多优点，一般铺设在管壁上，安装方便，本实验将石墨烯、石蜡、 乳化剂按一定比例与水混合，所选石墨烯参数如表2。

表2 所用石墨稀的基本参数Tab. 2 Basic parameters of graphene

所选乳化剂为TX-10乳化剂，为O/W(油>水)型， 具有良好的乳化、分散、稳定、润湿、抗静电性能。乳化剂主要参数见表3。

表3 TX-10乳化剂的基本参数Tab. 3 Basic parameters of TX-10 emulsifier

2 复合材料的制备与实验

2.1 复合相变材料的制备

取上述半精制石蜡、石墨、乳化剂、水，在常温下按质量百分比分别为51.1%、10%、18.9%、10%的比例进行配制，通过差示扫描量热仪和热常数分析仪量出复合材料的温度为22.82 ℃，相变潜热为2.96 J/g，导热系数为1.520 W/(m·K)。将其密封于300×150×300(mm)如图所示的蓄放热实验装置中进行实验，并和同样质量的密封于该装置中的水进行对比。

图1 复合相变蓄放热实验装置结构简图(单位：mm)

2.2 复合相变材料的蓄放热性能实验

在复合相变蓄放热装置的入风口面平铺粘有和其下底面积同样尺寸的薄膜电加热器，在其出风口的上表面上布有8片贴片式热电阻。采用探针型 Pt100 热电阻温度传感器，热电阻上部引线连接数据采集模块，按一定的时间间隔测得封装相变复合材料与封装水两种情况下温度与时间的对应关系如图2所示。

1. 水蓄散热 2. 相变蓄热陶瓷蓄散热

3 实验结果及其讨论

依据图2所示两种蓄散热材料温度变化曲线可以看出，复合相变材料在加热吸收热量储能过程中主要经过3 个过程的三个相区，也就是固相区(一相区)、固液混合相区(二相区)及液相区(三相区)。复合相变材料吸热在一相区时，复合相变实验箱测试表面温度从初始温度逐渐上升石蜡材料的相变点温度47 ℃，原因是此时石蜡还没有达到熔化的相变温度，这个过程为显热换热过程；随后蓄热箱内温度提高变得平缓，此时为潜热换热过程；当温度超过石蜡熔化温度后，复合相变材料中石蜡完全熔化，相变蓄热陶瓷散热装置温度又出现迅速上升，由于此时石蜡熔化过程已经完成，又变为显热换热过程；温度稳定在控制的80 ℃ 左右。而在这一过程中水蓄散热实验箱温度升高较快，当温度接近80 ℃左右的时候，在控制系统控制下，在这一温度相对稳定，在散热时，水蓄散热箱的温度下降同样较快，其间没有温度变化平缓的时段，直到降至常温。其中主要原因是因为水在蓄热过程完全是显热换热过程，整个过程没有潜热换热存在[9-10]。在放热过程中，开始时段，石蜡的温度下降仍然平缓降低，持续时间较长，可达到水蓄热箱的2倍以上，最后保持在稳定状态。

4 结论

通过实验比较，复合相变材料比水蓄热性能提高2倍以上，所用的石蜡、石墨烯、乳化剂具有清洁、无污染，能够最大化解决热能的储存和释放时间空间矛盾，且热能利用具有一定的可控性，在现代智慧农业发展中，节能环保，大大增加热效率的提高程度。