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近弓
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1 ２１２年第１４期４)卷１９５脂肪酸相变材料导热系数测试及相变传热过程的数值模拟张毅１张菁燕２黄斌１李东旭１南京工业大学材料科学与工程学院江苏南京２１９; 常州市建筑科学研究院股份有限公司江苏常州２１１５) 摘要: 相变材料在相变过程中由于材料本身状态变材料具有过冷度小熔化潜热高相变过程无相分过程针对相变材料相变传热过程中非线性传热特征内外已经对其作为相变材料进行了广泛的研究２４但的变化其相变传热过程属于具有移动边界的非线性对月桂酸癸酸混合脂肪酸相变材料的热性能进行了研究利用差示扫描量热法 D S gc 离循环熔融热性能稳定以及无毒无腐蚀特点目前国是目前关于脂肪酸相变材料的研究只针对于材料的本身特性进行研究内容主要针对于脂肪酸相变材料本 m y)对相变材料的相变潜热和相变温度进行了测试利用 DRE ２C 导热系数测定仪测试了不同摩尔身的热物理性能及其相变特性５８对于其在相变过程比例脂肪酸相变材料以及相变材料在不同测试温度下程中随着材料本身状态的变化其导热过程成为一个动的导热系数通过将无机多孔材料硅藻土和脂肪酸相态的过程相变材料的热性能参数在相变前后是不断变材料混合制备了一种无机复合相变材料并对其导变化的所以有必要对其相变过程中的导热行为进行热系数和蓄放热性能进行了测试利用有限元法对相研究为其工程应用提供理论基础. 中导热行为的研究报道较少相变材料由于在受热过变材料的相变过程进行了数值模拟. 研究表明脂肪本文以月桂酸和癸酸两种脂肪酸作为相变材料酸相变材料的导热系数和其相变温度呈反比关系相利用 DSC 对相变材料的热物性进行测试利用 DRE 相变材料来说相变材料的导热系数随着材料温度的２C 导热系数测定仪测定了脂肪酸相变材料在不同温度下的导热系数通过将无机多孔材料硅藻土和混合升高而升高硅藻土的掺入明显增加了相变材料的导脂肪酸相变材料以熔融混合的方法制备了一种复合相热系数复合相变材料蓄放热速率加快改善了相变材变材料对复合相变材料的导热系数和蓄放热性能进料的传热性能.有限元模拟分析法可以较好地描述相行了测试通过 ANSYS 有限元分析法对相变材料的相变过程进行了模拟分析. 变材料的相变温度越高其导热系数越低. 对于同一变材料的传热过程相变材料的导热性能需要强化以提高其蓄放热的速率和频率. 关键词: 相变材料;导热系数;相变温度和潜热;吸放热性能有限元分析法中图分类号: TB４文献标识码: A ) 文章编号: １１９７１２１２１４１９５５１引言近年来国内外对相变材料在能源利用和材料科２实验１原材料月桂酸 L LA)分析纯国药集团化学试剂有限公司癸酸 Cp CA)分析纯江苏永华精细化学品有限公司月桂酸和癸酸的 DSC 图谱如图１所示. 学研究方面十分活跃相变材料用于建筑节能不同于传统有机保温材料隔热保温的特点它能够将多余的热量吸收进来在温度降低时再释放出去可以有效地降低建筑物内部一天内温度波动提高建筑物内部热舒适度１这一点是传统有机保温材料无法具备的相变材料在太阳能蓄能系统空调系统蓄能和建筑节能等领域具有很好的应用前景研究和开发相变潜热大导热系数高热稳定性好的相变材料在建筑节能上实现相变材料的节能蓄热功能对于节约能源降低能耗具有很好的现实意义.月桂酸 CH CH２ ) １COOH) 和癸酸作为一种常用的有机相 CH CH２ ) ８COOH) 图１月桂酸和癸酸相变材料的 DSC 图谱 p g１dsc /g癸酸月桂酸相变温度４５相变潜热１６４J /g.硅藻土颗粒化相变温度８相变潜热１４６５J 基金项目: 十二五国家科技支撑计划资助项目２１１BAE１４B６);江苏省新型环保重点实验室开放课题资助项目 AE２１７);江苏省２１１年度普通高校研究生科研创新计划资助项目 CXZZ１１２１) 收到初稿日期: 收到修改稿日期: 通讯作者:李东旭２１２２１１２１２４１９作者简介:张毅１９８７ )男安徽六安人博士研究生师承李东旭教授从事相变储能材料的研究

究内容主要针对于脂肪酸相变材料本 m y)对相变材料的相变潜热和相变温度进行了测试利用 DRE ２C 导热系数测定仪测试了不同摩尔身的热物理性能及其相变特性５８对于其在相变过程比例脂肪酸相变材料以及相变材料在不同测试温度下程中随着材料本身状态的变化其导热过程成为一个动的导热系数通过将无机

2 张毅等:脂肪酸相变材料导热系数测试及相变传热过程的数值模拟学纯广东西陇化工有限公司比表面积６６２５m２/g. 导热系数进行测试. １９５１２实验方法１热物理性能采用 NETZSCH DSC２４差热分析仪测定相变材料的相变温度和相变潜热实验条件:氮气氛 ml/m )温度区间: １~８升温速率５ / m. ２相变材料导热系数测定如图２所示采用 DRE ２C 导热系数测定仪测定不同摩尔比例月桂酸癸酸混合脂肪酸相变材料的导热系数相变材料的制备方法为将称取好的各摩尔比例月桂酸癸酸相变材料混合加热至熔融状态充分搅拌后冷却至室温.DRE ２C 导热系数测定仪采用瞬态平面热源法H D k 法)测定材料的导热系数在本方法中利用 H D k 作为探头的导热系数测定仪是由导电金属镍经刻蚀处理后形成的连续双螺旋结构薄片探头既是温度传感器又作为加热源探头被放置在两片样品中间进行测试. 图相变材料导热系数测试样品照片 g ph h m gph y mp PCM 图４自制相变材料温度导热系数关系测试装置 h m g ４ Tmp y m 复合相变材料的制备及其导热系数和蓄放热曲线测试图２ DRE ２C 导热系数测定仪及 H D k 探头２C h m g２dre y m H D kp b 根据 H D k 样品导热系数测定要求配制不同摩尔比例的月桂酸癸酸相变材料并充分冷却至室温然后将一整块混合脂肪酸相变材料切割为同样大小的两块用４目砂纸将测试材料两面磨平至得到光滑表面测试时将探头放在两块表面光滑的样品之间相变材料测试样如图所示自制简易相变材料导热系数随温度变化关系的测试装置如图４所示将导热系数测试试样放入封闭聚苯板内通过卤素灯对测试装置进行加热使聚苯板内封闭空间温度逐渐升高从而使相变材料发生相变由此对不同温度下相变材料的按照上述相变材料的制备方式选取月桂酸癸酸摩尔比例为６４的相变材料将占相变材料质量分数５１１５２的硅藻土加入到熔融状态下的相变材料中充分搅拌均匀后制备复合脂肪酸硅藻土相变材料按照２所示方法测定复合脂肪酸相变材料的导热系数.复合相变材料的蓄放热性能测试方法为将样品放入４５恒温干燥箱中利用 TC １８多路温度记录仪记录其升温曲线待样品温度恒定后从恒温干燥箱中取出样品放入室温下自然冷却记录其降温曲线. 结果与讨论１不同摩尔比例相变材料热物理性能测试实验选取月桂酸和癸酸摩尔比例分别为６４４６７２８１９的混合脂肪酸相变材料利用

DRE ２C 导热系数测定仪采用瞬态平面热源法H D k 法)测定材料的导热系数在本方法中利用 H D k 作为探头的导热系数测定仪是由导电金属镍经刻蚀处理后形成的连续双螺旋结构薄片探头既是温度传感器又作为加热源探头被放置在两片样品中间进行测试.

3 年第 14 期 43) 卷 DSC 法测试其相变温度和相变潜热测试结果如图 5 表 1 相变材料相变温度和潜热所示. Tb1Phhgmph PCM 材料月桂酸癸酸图 5 不同摩尔比例相变材料的 DSC 曲线 g5dscmpcm 根据图 5 得出的不同摩尔比例相变材料的相变温度和潜热如表 1 所示. 相变温度 ) 相变潜热 J/g) 从表 1 可以看出相变材料相变温度和相变潜热随着相变材料摩尔组成的变化而变化当摩尔比例在 2 8 之前时相变材料热物性随着摩尔组成的降低而降低摩尔组成为 1 9 的相变材料其相变温度和潜热较摩尔组成为 2 8 的脂肪酸相变材料高这说明月桂酸 G 癸酸相变材料可以形成低共熔混合物存在一个低共熔点这与相关文献研究是一致的相变材料导热系数测试按照所示方法对不同月桂酸癸酸摩尔配比相变材料导热系数进行测试测试时室温为 12 测试结果如表 2 所示. 表 2 不同摩尔比例相变材料导热系数 Tb2ThmymPCM 摩尔比例月桂酸癸酸导热系数从表 2 导热系数测定结果可以看出混合脂肪酸相变材料的导热系数和相变材料的相变温度成反比关系相变材料的相变温度降低相变材料的导热系数反之提高相变材料相变温度越高单位质量发生相变吸收的热量越高相变材料吸收热量越多热量传导进行得越慢材料导热系数值就越小但是此时相变材料的导热系数只是在室温下测定且实验所用的瞬态平面热源法 HDk 法 ) 测定样品导热系数时间较短仪器测定的导热系数只是相变材料在较长相变过程某个短暂阶段材料的导热系数相变材料的导热系数随着相变材料相变过程状态的变化而变化是一个动态的变化过程由此有必要对相变材料在整个相变过程的导热系数的变化进行表征测定. 以摩尔比例为 6 4 的相变材料为例按照图 4 所示的测试方法测定不同温度不同相变阶段相变材料的导热系数测试结果如表 3 所示. 表 3 相变材料导热系数随温度关系 Tb3 RhpbwmphG mypcm 时间 m) 为固液混合态随着温度的升高液态相变材料逐渐增多探头产生的热量被剩余固态相变材料吸收得越少热传导越快导热系数越大所以相变材料的导热系数随着温度的升高而升高当相变材料完全发生相变时相变材料呈液态相变材料热传导稳定导热系数保持稳定但是由于实验样品图 3) 本身原因利用该方法无法测试相变材料完全熔化时的导热系数. 3.3 复合相变材料的导热系数及其蓄放热性能如所述将硅藻土颗粒按不同的质量比例掺入月桂酸癸酸摩尔比为 6 4 的相变材料中熔融搅拌均匀后制备复合相变材料并对其蓄放热性能进行测试复合相变材料导热系数测定结果如图 6 所示. 样品温度 ) 导热系数 W/m K)) 由表 3 可以看出随着测试时间的延长相变材料的导热系数随着温度的升高而升高原因是随着测试温度的升高测试过程中材料的状态由固态逐渐转变图 6 硅藻土含量与相变材料导热系数的关系 g 6 Rhp bw m hmy 从图 6 可以看出无机多孔材料硅藻土加入混合脂肪酸相变材料后由于硅藻土具有较高的导热系

8 相变潜热 J/g)162.4 142.2136.3125.0117.6125.3 146.

4 张毅等 : 脂肪酸相变材料导热系数测试及相变传热过程的数值模拟数复合相变材料的导热系数较脂肪酸相变材料的一段时间内由于温度较高相变材料导热系数较大二导热系数大且随着硅藻土含量的逐渐升高复合相变材料的导热系数逐渐变大当相变材料加入量超过 15% 时复合相变材料的导热系数增幅变缓基本不再增加. 对 15% 硅藻土含量的复合相变材料蓄放热性能进行测试测试结果如图 7 所示. 图 7 相变材料蓄放热曲线 g7 HbpGPCM 从图 7 相变材料的蓄放热曲线可以看出同脂肪酸相变材料相比复合相变材料的蓄放热速率加快导热系数的增大使复合材料达到同样的温度所用的时间较短复合相变材料前期升温阶段由于硅藻土较高的热导率且升温阶段相变材料热导率变大两方面因素使复合相变材料升温曲线呈直线上升然后逐渐变缓至指定温度脂肪酸相变材料的升温曲线则明显由于相变吸热而导致前期升温较慢随着相变过程的进行导热系数逐渐提高使得脂肪酸相变材料升温速率加快从降温阶段可以看出复合相变材料开始降温起始者降温速率基本一致到了相变材料相变点后复合相变材料降温速率明显快于脂肪酸相变材料说明硅藻土的加入明显改善了相变材料的热传导性能. 3.4 脂肪酸相变材料传热过程的数值分析相变传热过程属于具有移动边界的非线性过程在熔化或凝固的过程中存在着随时间移动的固液界面固液界面的位置随时间和空间坐标变化而变化 12. 相变问题的热分析是一个非线性的瞬态热分析问题相变材料的热物性即使是常数它也是非线性的. 它与线性问题的差别在于非线性问题需要考虑相变过程吸收或释放的潜热 13. 焓法作为相变传热问题数值求解的经典解法之一其分析方法是以焓代替比热容和温度作为唯一变量建立起满足整个求解域的能量方程由于焓包含了潜热相变的影响自动地包含在焓形式的能量方程中从而不需要考虑固 / 液移动界面. 为了简化相变传热分析假定 :1) 相变传热热传导是一维的 ;2) 相变材料在整个传热过程中除了比热容外其它热物性参数是恒定不变的 ;3) 忽略空气自然对流对相变传热的影响 14. 瞬态焓法模型的控制方程 : 2 Tm Tm km =ρm x 2 pm 1) 假定相变过程在一定温度范围内发生则焓可以表示为温度的分段连续函数. ìï T -T) T < T ï é+ H = 2 + L ù ï ë ê T-T û ú T -T) T T T í ï +1 ï 2 T-T ) +L + T -T) T > T î 式中 C 为定压比热 ; 下标和分别代表相变材料固相和液相 ;TT 为相变温度区间 ;H 为单位质量的焓值 ;L 为单位质量的相变潜热. 边界条件 : T x =0 >0x =0 3) -k T y =h T-T)y =0h 4) 初始条件 : T =T0=0 5) 图 8 为相变材料热传导示意图相变材料被固定在两块导热板之间对导热板外侧面加载一定量的温度场使导热板内侧温度恒定在 35 通过热传导的方式对相变材料两个侧面进行传热两侧之间距离为 4m 实验选用月桂酸和癸酸摩尔比例为 6 4 的混合脂肪酸相变材料进行传热分析相变材料初始温度为 10 相变材料的热物性参数见表 4. 图 8 相变材料热传导示意图 2) g8 HkhPCM ANSYS 程序是一个功能强大的有限元计算分析软件包 ANSYS 热分析最强大的功能之一就是分析相变问题. 根据材料形貌特征分析采用 ANSYS 低阶分析单元类型二维 4 节点四边形热分析单元 Q455 进行自由网格划分按表 4 定义材料热物性参数.

图 7 相变材料蓄放热曲线 g7 HbpGPCM 从图 7 相变材料的蓄放热曲线可以看出同脂肪酸相变材料相比复合相变材料的蓄放热速率加快导热系数的增大使复合材料达到同样的温度所用的时间较短复合相变材料前期升温阶段由于硅藻

5 １９５４２１２年第１４期４)卷表４相变材料的热物性参数高其导热系数越低同一相变的导热系数随着材料温 Tb ４Th m phy p m PCM 温度 ) 导热系数比热容密度焓 W/m K)) / /m ) kj kg K)) kg/m ) J ２２２９８２２２９５２２２８４７９８２４５７E７８７２E８９６E８图９是相变材料不同传热阶段的温度场分布. 度的升高而升高硅藻土的掺入改善了相变材料的传热性能 ANSYS 有限元分析法对相变材料的传热过程的数值模拟分析表明单一相变材料热传导速率较低换热性能较差所以需要对相变材料的导热性能进行强化提高相变速率和频率. 参考文献: １ Zkwk M Exp m y h m h m g b ph hgm gy p h m b J E y y g gyc Mgm ２７４８:１６６１７２ K MMhkm K S g g gy hgm J Rwb & S b E ph w２７１１:１９１１９６５ gyr 杜开明彭家慧李美等癸酸月桂酸二元复合相变材料的相变特性研究 J 广州化工２９７４):１１４ Dm M N RE A D P m m y m x p w mp h m g J E ５):４２１ g gy１９９８２４２７５袁艳平白力牛犇脂肪酸二元低共熔混合物相变温度和潜热的理论预测 J 材料导报２１２４１): １１１１１６ S A Th m b m PC y y 图９不同时刻相变材料温度场分布图 b PCM g９ Tmp m 在本次模拟中相变材料的热传递主要以热传导为主材料的热导率大小直接影响热量传导的快慢从图９的１２和２４两个时刻相变材料的温度场分布可以看出由于相变材料导热系数较小换热性能较差内外测温差较大温度分布不均匀１２材料中心轴面温度为１２４材料中心轴面温度为１１热量传导较慢所以采用单一相变材料以热传导方式进行储能效率较低如果将单一相变材料用于建筑节能中无法发挥相变材料的蓄放热效应所以有必要对相变材料的导热性能进行强化提高相变材料的相变速率和频率使其在建筑节能中得到更好的应用. ４结论以月桂酸癸酸混合物作为相变材料研究了不同摩尔比例混合脂肪酸相变材料的相变温度和相变潜热对不同摩尔比例和同一比例不同温度下相变材料的导热系数进行了测试研究了硅藻土复合相变材料的导热系数和吸放热性能脂肪酸相变材料的导热系数和其相变温度呈反比关系相变材料的相变温度越 M h m h gpp J E Mgm ２４４: gy ２２７７２２８７李忠姚同和井７波脂肪酸二元体系固液相变动力学研究 J 安徽理工大学学报２７２７２):４５４７８ gg L H L X P p p p y / x mp m b hg m h m g J ph gy : M Chm P h ２１１２２５５６ y y ９张奕王朋戴征舒等月桂酸癸酸二元体系的固液相平衡特性 J 哈尔滨工业大学学报２９４１１１): ２１２４１ J Lg X gp g Ph g m h m p ph h J Th yy m h m A ２４４２４:１５１１张东有机相变蓄热复合材料导热性能的实验研究 J 建筑材料学报２８１１１):４２４６北京科学出１２张寅平等相变材料与相变储能技术M 版社２９北１张朝晖 ANSYS１热分析工程应用实战手册M 京中国铁道出版社２１１４ ZhgY p gl Kp gj g Y Th m g h h PCM w b J E g２８４):１７７１ gyb １７７９下转第１９５９页)

参考文献: １ Zkwk M Exp m y h m h m g b ph hgm gy p h m b J E y y g gyc Mgm ２７４８:１６６１７２ K MMhkm K S g g gy hgm J Rwb & S b E ph w２７１１:１９１１９６５ gyr 杜开明彭家慧李美等癸酸月桂酸二元复合相变材料的相变特性研究 J 广州化工２９７

6 王春齐等 :ZO/EG51 复合涂料上超疏水表面的制备 10):3824G XLShZ Q.PpphyphbCMG CABb mbypgj.j M ):715G ShNJMhGNwMI.Iy phyphbg GgmJ.LgG m200319:5626g DpAmmg MSJ.OpG 1959 gwhhghyphbw ppj.appop ):3294g LJZhgH CLg.PpG phyphbbmg g Gmb hqj.j M ):1618G1622. bphyphbzo/eg51mpg WANGChGqJIANG DGzhXIAOJGy CgAp MEggNUyDThgy Chgh410073Ch) Ab:ThZO/EG51mpgwppbymbgpmhmhG ghzopxyhhphyphbzo/eg51mpgwbg byhmhgm.thzhmphgyphyphg byhgmpyym/gyzw.thhw hmgbyghhbbzo/eg51mpgby hmhg;hgh1w% mhghphyphbpp bhg.whhmm30mhmxmmgghg whwp Kyw:ZO/EG51mpg;hmhg;m;phyphby 上接第 1954 页 ) Expmhmyh myyphhgm ZHANG Y 1 ZHANGJgGy 2 HUANGB 1 LIDgGx 1 1.CgMSEggNjgUyThgyNjg210009Ch; 2.ChgzhAhSRhIC.L.Chgzh213015Ch) Ab:DhhghphhgphhphphhgmG PCM)Gpwhhhmg.hGphhgh PCMhhmpmp mxy w.thph hgmphhpcmw mbygmydsc) DREG2ChmymwhhmyG mpcmpcmmp.akmppcmmpgg pmmypcmwphhmyh hbpgpmhmw.mmh EM)w yzghhpbmhpcm.thhwhhhmy ypcmhypphpwhhphhgmphhghh phhgmphwhhmy.thmyhpcmgwg hmp.bymxgwhmhhmyhpcm byhhbp.hpghpcmbw bbyemyhyem hwhhhypmhpcm hbhhphhgqy. Kyw:PCM;hmy;phhgmph;hbpGpG m;emy

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说明为了反映教运行的基本状态, 为校和院制定相关政策和进行教建设与改革提供据依据, 校从程资源 ( 开类别开量规模 ) 教师结构程考核等维度, 对 2015 年春季期教运行基

说明为了反映教运行的基本状态, 为校和院制定相关政策和进行教建设与改革提供据依据, 校从程资源 ( 开类别开量规模 ) 教师结构程考核等维度, 对 2015 年春季期教运行基内部资料东北师范大教运行基本状态据报告 2015 年春季期教务处 2015 年 10 月 27 日说明为了反映教运行的基本状态, 为校和院制定相关政策和进行教建设与改革提供据依据, 校从程资源 ( 开类别开量规模 ) 教师结构程考核等维度,