一种高温相变蓄冷装置的研制

论文摘要

本文针对现有空调负荷动态变化、制冷机系统低负荷和低效率运行的现状，以制冷机高效运行和节能为目标，利用相变温度在7～12℃范围内的高温相变蓄冷介质，研制一种高温相变蓄冷装置，该装置的应用使制冷机组能始终在设计工况下高效节能运行，减少运行时间，达到节能、省电、降耗的效果，具有可观的节能改造工程应用前景和显著的经济环境效益。相变蓄冷装置包括相变蓄冷材料及其封装结构。研究表明，有机相变蓄冷材料十二醇/癸酸体系相变性质满足高温相变蓄冷要求，针对其导热系数很低的缺点，本文通过在其中添加高导热系数纳米粒子对其进行改性，制备纳米复合有机相变蓄冷材料作为高温相变蓄冷介质，对纳米复合有机相变蓄冷材料制备、纳米复合材料强化传热技术与机理、热物性参数、高温相变蓄冷装置设计及高温相变蓄冷装置蓄/放冷特性、运行稳定性进行了实验研究，得到以下结论：（1）通过在十二醇/癸酸体系中复合一定量的纳米石墨、碳纳米管或纳米TiO2粒子，采用分散剂和超声振荡的方法形成纳米复合有机相变蓄冷材料。对纳米复合有机相变蓄冷材料中纳米粒子分散稳定性机理进行分析，通过对纳米粒子浓度、分散剂类型、超声时间、最佳超声时间下分散剂浓度分别对分散稳定性影响进行了实验研究，得到分散稳定的纳米复合有机相变蓄冷材料的制备方法。（2）采用差示扫描量热仪（DSC）对十二醇/癸酸体系基液及纳米复合相变材料进行了相变潜热和相变温度的测量。结果表明：在基液中复合纳米石墨、碳纳米管和纳米TiO2后，复合材料的相变温度、相变热要比蓄冷材料基液略低，不过降低幅度不大。采用瞬态板热源法（Hot Disk）测量相变材料的导热系数，测量结果表明：由于纳米粒子对基液基础结构的改变以及微运动效应，在液态基液中添加纳米粒子显著增加了其导热系数。（3）通过搭建恒温水浴实验台，分别测试7℃水浴温度下十二醇/癸酸蓄冷介质基液及制备的纳米复合相变溶液的蓄冷特性，对其温度—时间曲线进行分析，结合分散稳定性、热物性参数、强化换热效果综合考虑确定纳米石墨复合有机相变蓄冷材料作为最佳高温相变蓄冷介质，其制备条件为纳米石墨质量浓度为0.2g/L，分散剂司班80（0.1g/L），超声振荡时间为70min；其相变潜热为163.6kJ/kg，7℃水浴下相变温度为10.1℃；其导热系数为0.2320W/（m·K），较基液提高16.1％。对高温相变蓄冷介质在蓄冰冰球及不同尺寸、类型蓄冷元件内的蓄冷性能进行实验研究，确定最佳的蓄冷元件尺寸构型为长100mm、直径20mm的圆柱型，采用高密度聚乙烯材料进行封装，构成高温相变蓄冷冰管，对其在不同温度工况下的蓄/放冷性能进行测试，结果表明其相变温度、相变时间、相变热等参数符合高温相变蓄冷空调系统对蓄冷装置的要求。（4）搭建小型蓄冷空调系统实验台，对高温相变蓄冷冰管的运行稳定性进行实验研究，在蓄冷（7℃）和放冷（15℃）两种工况下分别进行了50次重复实验，将实验初始时与重复相变50次后温度—时间曲线进行对比分析，发现相变温度、相变热、相变时间符合高温相变蓄冷应用的条件，经过50次的交变循环工况后，相变热略有降低，但幅度不大。对初始时及循环50次后蓄冷介质做DSC测试，得到结论一致，其相变潜热和相变温度基本保持稳定，说明高温相变蓄冷冰管运行稳定性良好，具有较高的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 蓄冷技术概述
• 1.3 高温相变蓄冷材料研究基础
• 1.4 蓄冷装置概述
• 1.5 蓄冷装置强化传热国内外研究现状
• 1.6 课题研究内容、目的及意义
• 1.7 本文的主要工作
• 第二章 有机相变蓄冷材料纳米复合改性研究
• 2.1 纳米复合有机相变蓄冷材料制备
• 2的特性'>2.1.1 纳米石墨、碳纳米管和纳米 TiO₂的特性
• 2.1.2 纳米复合有机相变蓄冷材料制备方法
• 2.1.3 纳米粒子在蓄冷材料溶液中分散方法
• 2.1.4 纳米复合有机相变蓄冷材料分散稳定机理
• 2.1.5 分散剂的选取
• 2.1.6 纳米复合有机相变蓄冷材料分散稳定性评价方法
• 2.2 纳米粒子在蓄冷材料溶液中分散稳定性实验研究
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 实验方法
• 2.2.4 实验步骤
• 2.3 实验结果及分析
• 2.3.1 纳米粒子浓度对分散稳定性的影响
• 2.3.2 分散剂对分散稳定性的影响
• 2.3.3 分散剂浓度对分散稳定性的影响
• 2.3.4 超声时间对分散稳定性的影响
• 2.4 纳米复合有机相变蓄冷材料制备的最佳工艺条件
• 2.4.1 纳米石墨复合有机相变蓄冷材料最佳制备工艺条件
• 2.4.2 碳纳米管复合有机相变蓄冷材料最佳制备工艺条件
• 2复合有机相变蓄冷材料最佳制备工艺条件'>2.4.3 纳米 TiO₂复合有机相变蓄冷材料最佳制备工艺条件
• 2.5 本章小结
• 第三章 纳米复合有机相变蓄冷材料热物性研究
• 3.1 用 DSC 法测试蓄冷材料的相变潜热及相变温度
• 3.1.1 实验仪器
• 3.1.2 实验方法
• 3.1.3 相变材料的相变潜热、相变温度测量
• 3.1.4 实验结果与分析
• 3.2 用 Hot Disk 法测定蓄冷材料的导热系数
• 3.2.1 实验仪器
• 3.2.2 蓄冷材料的导热系数测量方法
• 3.2.3 测量结果及分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 高温相变蓄冷装置设计
• 4.1 实验目的
• 4.2 实验方法
• 4.3 实验装置
• 4.4 实验步骤
• 4.5 实验结果与分析
• 4.5.1 高温相变蓄冷介质确定
• 4.5.2 高温相变蓄冷介质在冰球中的蓄/放冷实验研究
• 4.5.3 高温相变蓄冷装置设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 高温相变蓄冷装置运行稳定性实验研究
• 5.1 实验目的
• 5.2 实验系统概况
• 5.3 实验方法及过程
• 5.4 实验结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 致谢