李 強(qiáng) 蔡有杰 王成宇 吳志東 杜國(guó)軍

(齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活水平日益提高，能源的綜合利用顯得越來(lái)越重要。“南果北種”是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種普遍趨勢(shì)，也是發(fā)展高附加值、高效農(nóng)業(yè)的可行之路。然而北方冬季室外溫度較低，農(nóng)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(jié)蔬菜的生長(zhǎng)提供保證，溫室室內(nèi)環(huán)境操控逐漸向節(jié)能、環(huán)保、智慧農(nóng)業(yè)方向邁進(jìn)[1]。研究將相變材料與新型發(fā)熱材料有機(jī)結(jié)合，提高材料的蓄放熱性能達(dá)到能源有效合理利用的目的，一直以來(lái)是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的主要課題[2]。

1 復(fù)合相變材料特性與選取

按蓄熱的原理不同，常用的熱量?jī)?chǔ)存分為顯熱蓄熱和潛熱蓄熱兩類。當(dāng)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(guò)蓄熱材料的溫度變化來(lái)吸收或放出熱量，而潛熱蓄熱的原理是通過(guò)相變材料的相變來(lái)達(dá)到蓄散熱的目的。

相變儲(chǔ)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值[3]。通常采用的相變材料包括結(jié)晶水合鹽、石蠟等。蓄熱技術(shù)是提高能源利用效率和保護(hù)環(huán)境的重要技術(shù)，可用于解決熱能供給與需求失配的矛盾，在太陽(yáng)能利用、電力“移峰填谷”、廢熱和余熱的回收利用以及工業(yè)與民用建筑和空調(diào)的節(jié)能等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，是世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。本研究采用半精制石蠟作為相變材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，石蠟是固態(tài)高級(jí)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(gè)別支鏈的烷烴和帶長(zhǎng)側(cè)鏈的單環(huán)環(huán)烷烴，重要的性能指標(biāo)是熔點(diǎn)、含油量和安定性，所選石蠟的熱性能參數(shù)如表1所示。

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

發(fā)熱體有電熱絲發(fā)熱體、鹵素管發(fā)熱體、石英管發(fā)熱體、電熱膜發(fā)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(gè)無(wú)限期的大芳香分子，具有超導(dǎo)電、超導(dǎo)熱、輕薄、遠(yuǎn)紅外輻射散熱等許多優(yōu)點(diǎn)，一般鋪設(shè)在管壁上，安裝方便，本實(shí)驗(yàn)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(shù)如表2。

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

所選乳化劑為T(mén)X-10乳化劑，為O/W(油>水)型， 具有良好的乳化、分散、穩(wěn)定、潤(rùn)濕、抗靜電性能。乳化劑主要參數(shù)見(jiàn)表3。

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

2 復(fù)合材料的制備與實(shí)驗(yàn)

2.1 復(fù)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(zhì)量百分比分別為51.1%、10%、18.9%、10%的比例進(jìn)行配制，通過(guò)差示掃描量熱儀和熱常數(shù)分析儀量出復(fù)合材料的溫度為22.82 ℃，相變潛熱為2.96 J/g，導(dǎo)熱系數(shù)為1.520 W/(m·K)。將其密封于300×150×300(mm)如圖所示的蓄放熱實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并和同樣質(zhì)量的密封于該裝置中的水進(jìn)行對(duì)比。

圖1 復(fù)合相變蓄放熱實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(單位：mm)

2.2 復(fù)合相變材料的蓄放熱性能實(shí)驗(yàn)

在復(fù)合相變蓄放熱裝置的入風(fēng)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(fēng)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(shù)據(jù)采集模塊，按一定的時(shí)間間隔測(cè)得封裝相變復(fù)合材料與封裝水兩種情況下溫度與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

1. 水蓄散熱 2. 相變蓄熱陶瓷蓄散熱

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其討論

依據(jù)圖2所示兩種蓄散熱材料溫度變化曲線可以看出，復(fù)合相變材料在加熱吸收熱量?jī)?chǔ)能過(guò)程中主要經(jīng)過(guò)3 個(gè)過(guò)程的三個(gè)相區(qū)，也就是固相區(qū)(一相區(qū))、固液混合相區(qū)(二相區(qū))及液相區(qū)(三相區(qū))。復(fù)合相變材料吸熱在一相區(qū)時(shí)，復(fù)合相變實(shí)驗(yàn)箱測(cè)試表面溫度從初始溫度逐漸上升石蠟材料的相變點(diǎn)溫度47 ℃，原因是此時(shí)石蠟還沒(méi)有達(dá)到熔化的相變溫度，這個(gè)過(guò)程為顯熱換熱過(guò)程；隨后蓄熱箱內(nèi)溫度提高變得平緩，此時(shí)為潛熱換熱過(guò)程；當(dāng)溫度超過(guò)石蠟熔化溫度后，復(fù)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(xiàn)迅速上升，由于此時(shí)石蠟熔化過(guò)程已經(jīng)完成，又變?yōu)轱@熱換熱過(guò)程；溫度穩(wěn)定在控制的80 ℃ 左右。而在這一過(guò)程中水蓄散熱實(shí)驗(yàn)箱溫度升高較快，當(dāng)溫度接近80 ℃左右的時(shí)候，在控制系統(tǒng)控制下，在這一溫度相對(duì)穩(wěn)定，在散熱時(shí)，水蓄散熱箱的溫度下降同樣較快，其間沒(méi)有溫度變化平緩的時(shí)段，直到降至常溫。其中主要原因是因?yàn)樗谛顭徇^(guò)程完全是顯熱換熱過(guò)程，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有潛熱換熱存在[9-10]。在放熱過(guò)程中，開(kāi)始時(shí)段，石蠟的溫度下降仍然平緩降低，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，可達(dá)到水蓄熱箱的2倍以上，最后保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較，復(fù)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(wú)污染，能夠最大化解決熱能的儲(chǔ)存和釋放時(shí)間空間矛盾，且熱能利用具有一定的可控性，在現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展中，節(jié)能環(huán)保，大大增加熱效率的提高程度。