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        癸酸—月桂酸相變材料的導熱性能研究

        2015-05-20 09:30:15羅宇飛
        建材發(fā)展導向 2015年3期
        關(guān)鍵詞:相變材料癸酸

        羅宇飛

        摘 要:文章主要研究相變材料的特性及相關(guān)應(yīng)用,并將癸酸-月桂酸作為研究對象制成相變材料。研究表明,隨著相變材料摩爾組成的變化,其相變潛熱和相變溫度也相應(yīng)發(fā)生變化;而且其導熱系數(shù)和相變溫度呈反比例的關(guān)系。另外,在相變材料中添加硅藻土可以有效改善材料的傳熱性能,根據(jù)這一特性,可以考慮將其制成儲能相變建筑材料。

        關(guān)鍵詞:癸酸-月桂酸;相變材料;導熱性能

        1 相變材料

        相變材料的主要特性就是在相變過程中,通過吸收或者釋放環(huán)境的熱量達到控制環(huán)境溫度的目的。物質(zhì)的相變一般有如下四種形式,即固-固相變,固-液相變,液-汽相變和固-汽相變。其中固-固相變的潛熱小,但其相變的體積變化小,對容器無要求,是適用于實際的相變類型。利用相變材料的這種性能,可以用于開發(fā)環(huán)保節(jié)能復合材料,近年來已經(jīng)成為材料和能源領(lǐng)域中非常活躍的研究領(lǐng)域。

        本文將癸酸和月桂酸作為研究材料,利用熔融混合的方法,制備出不同摩爾比的二元低共熔體系相變材料。該相變材料熔點較低,熔化溫度范圍較寬,性能相對穩(wěn)定。通過測試不同摩爾比相變材料的導熱系數(shù),并且將相同摩爾比相變材料在不同溫度下的導熱系數(shù)等熱物理性能進行測試,同時還研究了硅藻土對材料導熱系數(shù)的影響。

        2 相變過程

        相變材料的相變過程是研究的基礎(chǔ),一般認為相變材料在結(jié)晶過程中主要分為三步,即誘發(fā),晶體生長和晶體再生。誘發(fā)階段晶核逐漸形成并生長至臨界尺寸以上。生長階段,晶核周邊的材料通過擴散并吸附在晶核表面,從而生長為具有幾何結(jié)構(gòu)的晶體。隨后結(jié)晶速度逐漸放慢。再生階段,雖然相變材料已經(jīng)凝固,但是材料內(nèi)部固有的相對運動導致其大小和形狀不斷發(fā)生改變,從而導致熱遷移速度降低,晶體生長速率高。所以,不難看出相變材料在熔化和結(jié)晶過程中的變化主要在于成核速率、傳熱速率以及晶體生長速度,而影響相變過程的主要因素就是成核和傳熱。

        3 不同摩爾比相變材料的導熱系數(shù)

        相變材料的制備如下:稱取所需摩爾比的癸酸-月桂酸相變材料物理混合,然后加熱至熔融狀態(tài)并充分攪拌,將熔融態(tài)液體置于模具中冷卻固化,最后制得長寬為300mm×300mm,厚度在10~40mm的試樣。將試樣放入導熱系數(shù)測定儀的爐體內(nèi)開始測試,觀察記錄不同溫度下材料的導熱系數(shù)。本文采用DRP-4型導熱系數(shù)測定儀進行測量。

        在測試時室溫為23℃時,結(jié)果如表1。

        從測試結(jié)果可以看出,二元癸酸-月桂酸相變材料的導熱系數(shù)和其相變溫度呈反比例關(guān)系,而且隨著相變溫度的降低,其導熱系數(shù)逐漸提高。相變溫度越高,單位質(zhì)量的材料相變時吸收的熱量越多,熱量傳導就慢,導熱系數(shù)就越小。由于該結(jié)果代表的是在長時間相變過程中某個階段材料的導熱系數(shù),但是材料的導熱系數(shù)是隨著相變過程的變化而發(fā)生變化的動態(tài)過程,所以需要對材料相變過程中導熱系數(shù)的變化進行測定研究。

        下表以摩爾比為6:4的二元癸酸-月桂酸相變材料為例,測定不同溫度不同相變階段的導熱系數(shù),結(jié)果如下。

        表2中樣品溫度指的是初始探頭溫度和測試結(jié)束時探頭溫度的平均值。當樣品溫度處于43℃以下時,材料的導熱系數(shù)隨溫度的升高而升高,當溫度處于43℃以上時,其導熱系數(shù)隨溫度的升高而基本不變,甚至略有下降。試樣在室溫下溫度均勻分布,試驗開始后,熱量主要依靠熱傳導的方式傳遞,隨后測試溫度的升高,測試過程中材料由固態(tài)逐漸熔融為固液混合物,隨著液態(tài)材料的增多,其傳熱方式慢慢變?yōu)闊釋α骱蜔醾鲗煞N方式,材料傳熱速率隨之加快。所以,對于固態(tài)-固液混合態(tài)的相變材料,其導熱系數(shù)隨溫度上升最主要的原因就是熱對流和熱傳導的共同作用,而不完全是熱傳導加快的原因。在整個過程中,熱傳導速率逐漸下降,對流傳熱慢慢加快,在固液相變過程中,特別是在相變后期,對流逐漸占據(jù)主導,熱傳導幾乎可以忽略,該過程主要以對流為主。材料相變完全發(fā)生后,材料呈現(xiàn)液態(tài)并進入穩(wěn)定對流傳熱狀態(tài),此時導熱系數(shù)穩(wěn)定。

        4 硅藻土對相變材料導熱系數(shù)的影響

        以摩爾比為6:4的二元癸酸-月桂酸相變材料為例,在其中添加一定比例的硅藻土顆粒,添加量的質(zhì)量分數(shù)分別為10%,20%,30%,40%,50%。制作工藝與前面一樣,然后按相同的方法測定復合相變材料導熱系數(shù),結(jié)果如圖1所示。

        從表3可以看出,加入硅藻土后相變材料的導熱系數(shù)比二元相變材料明顯增加,但是其導熱系數(shù)隨溫度變化規(guī)律與單一相變材料一致,當樣品溫度處于45℃以下時,材料的導熱系數(shù)隨溫度的升高而升高,當溫度處于45℃以上時,其導熱系數(shù)隨溫度的升高而基本不變,甚至略有下降。主要原因是相變材料從固態(tài)加熱升溫轉(zhuǎn)變?yōu)楣桃夯旌蠎B(tài)時,其傳熱方式發(fā)生變化,從單一的熱傳導轉(zhuǎn)變?yōu)闊釋α骱蜔醾鲗?,二者共同作用加快傳熱速率,從而表現(xiàn)出導熱系數(shù)的增加。整個過程包括導熱和對流兩種方式。熔化初始階段對流和傳導兩種方式占主導地位,隨著液體逐漸增多,傳導慢慢下降,對流慢慢上升;在相變后期,傳導逐漸消失,對流占據(jù)主導,當相變材料完全熔化后,材料進入穩(wěn)定對流段,導熱系數(shù)不再增加。

        5 實驗結(jié)論

        本文通過測試不同摩爾比二元癸酸-月桂酸相變材料以及該材料在不同溫度下的導熱系數(shù),以及硅藻土的加入對相變材料導熱系數(shù)的影響,得出下列結(jié)論:

        5.1 相變材料的相變潛熱和相變溫度隨材料摩爾比的變化而變化,當月桂酸-癸酸摩爾比比2:8小時,其導熱性隨摩爾比的降低而降低。

        5.2 相變材料的導熱系數(shù)和相變溫度呈反比例關(guān)系,相變溫度越高,其導熱系數(shù)越低,導熱系數(shù)隨材料溫度的升高而有所升高,但當溫度升高到一定階段后,材料進入穩(wěn)定狀態(tài),導熱系數(shù)保持穩(wěn)定。

        5.3 硅藻土能有效改善相變材料的傳熱性,添加硅藻土能明顯增加材料的導熱系數(shù)。復合相變材料的導熱系數(shù)隨硅藻土含量的提高而逐漸升高,但是當硅藻土加入量超過20%時,相變材料的導熱系數(shù)增加緩慢。

        6 展望

        隨著相變材料的不斷研究和開發(fā),其在建材中的應(yīng)用越來越廣泛。而且隨著人們環(huán)保節(jié)能意識的提高,儲能相變建筑材料的應(yīng)用將會越來越廣闊。

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