* 国家自然科学基金资助项目 ( 20346001) ; 高等学校博士学科 点专项科研 基金资助 项目 ( 20050561017) ; 教育 部新世 纪优秀 人才 支持计划项目 ( N CET 04 0826) ; 广东省关键领域重点突破项目 ( B10 B2060090) 朱冬生 : 男 , 1964 年生 , 教授 , 博士生导师 , 主要从事强化传 热 、 节能和 制冷研究及 应用 研究生 , 研究能源环境材料及节能技术 T el: 020 87114568 E mail: x tulxf@ 163. co m 李 新芳 : 通 讯联系 人 , 女 , 1979 年生 , 博士
1. 3 定形相变蓄冷材料
定形相变蓄冷材 料是由相变材料和高分子材料组成的复合 蓄冷材料 , 相变材料一般为石蜡 ( 作芯材 ) , 高分子材料一般为高 密度聚乙烯 ( H DPE) , 具 有比 石蜡较 高的 熔点 ( 作 囊材 , 即 定形 材料 ) 。把这两种材料在 较 高温 度下 融 化并 搅拌 , 使之 均匀 混 合 , 然后冷却 , H DP E 首先固化 , 形成封闭球面 , 石蜡便被封在其 中。在释冷过程中 , 当石蜡融化时 , 由于 HDP E 的密 封作用 , 这 种丸粒保持原形 , 液态石蜡不会向外泄漏。 与普通固 液相 变蓄 冷材料相比 , 定形相变蓄冷材料无需封装使用 , 直接与工作流体 接触 , 减小了管壁的传热热阻 , 有利于相 变蓄冷材料与传热流体 间的换热。 在定形相变材料 的性能和应用研究方面 , 日本冈山大学 In aba[ 17] 进行了系统的研究 , 研 制了相 变温 度为 50 ! 左 右的 定形 相变材料 , 分析了 其热 物性 并研 究了 其应 用方 式和 应用 领域。 华南理工大学龚克 成等 [ 18~ 20] 在 定形相 变材料 导热系 数改 善方 面取得了丰富成果。张寅平等 [ 21] 开展了 定形相变 材料的研制、 热物性和应用 研究 , 取得 了初步 成果 , 制 备出相 变温 度为 50 ! 左右的定形相变材料 , 并讨论了不同高分子材料、 不同熔点的石 蜡和不同掺混比例对 定形相变材料热物性的影响。
动性 , 可以用较少的泵功输送大量的冷能 , 从而达到有效存储和 节能的目的。 本文综述了相变 蓄冷材料的最新进展和纳米流体传热特性 的研究现状 , 提出了纳米 流体相 变蓄 冷技术 , 并 对它 的技 术优 势和潜在的应用前景 进行了展望和分析。
1 相变蓄冷材料的最新进展
近年来相变蓄冷 材料的研 究十分 活跃 , 一是由 于世界 各国 能源政策的调整和对 节能的日 益重视 , 二是 由于材 料科学 的发 展提供了强大的技术支持。目前相变蓄 冷材料的研究焦点集中 在新型蓄冷材料的开 发及其热 物性的 研究方面 , 下 面将简 单阐 述。
Abstract T he f undamental pr operties and latest prog ress of the phase chang e material for co ld sto rag e, such as gas hydrate, functionally ther mal fluid and shapely phase chang e sto rag e mater ial, are intr oduced in this paper, and
1. 2 功能热流体
在普通蓄冷流体中混入 性能稳 定的微米 级相变 材料 , 则构 成了功能热流体。其特点是 : 功能 热流体 将传热 流体和 蓄冷流 体合二为一 , 输送管道可作为蓄冷槽的一部分 ; 与普通单相传热 流体相比 , 该类流体具有很大的表观比热容 , 用作冷量输运介质 可明显降低所需流量 , 大大减 小输运 功耗和 管道尺寸。 功能热 流体作为一种新型蓄冷、 传热材料 , 其理论和应用研究在发达国 家方兴未艾 , 潜在应 用领域很广 , 主要 集中在建 筑物供暖、 热水 供应、 空调系统及其他蓄能领域 , 这是最值得我国蓄能领域研究 者关注的一个方向。功能热流体主要有相变微胶囊和相变微乳 液两类。
1. 1 气体水合物
20 世纪 80 年代后 期 , 人 们对 制冷 剂气体 水合 物在 空调 蓄 冷中的应用技术和气 体水合物 的特性 进行了一 些研究 , 早 期的 研究主要是 R11 和 R12 的水合物。由 于 R11 和 R12 是典 型的 大气臭氧层破坏物质 , 受到 严格 的限 制 , 因此新 型 CF C 替 代制 冷剂气体水合物成为 当前研究的重点。
纳米流体相变蓄冷材料的基本特性与应用前景/ 朱冬生等
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纳米流体相变蓄冷材料的基本特性与应用前景*
朱冬生, 李新芳, 汪 南, 王先菊
( 华南理工大学化工与能源 学院传热强化与过程节能教育部重点实验室 , 广州 510641) 摘要 概述了相变蓄冷材料 , 包 括气体水合物 、 功能热流体和定形相变蓄冷材料等的 基本特性和最新进展 。 介
ZH U Dong sheng, L I Xinfang, W ANG Nan, W ANG Xianju
( Key Lab of Enhanced H eat T ransfer and Ener gy Conser vation of M inistr y o f Educat ion, Schoo l of Chemical Eng ineer ing and Energ y, South China U niv er sity of T echno lo gy , Guangzhou 510641)
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材料导报
2007 年 4 月第 21 卷第 4 期
在基础研究方面 , 中科 院广州 能源所 研究了 单元气体 化合 物 R134a、 R152a、 R141b 以及混 合气体水 合物 R134a/ R141b 和 R152a/ R141b 的生成过程和相平衡 特性 [ 8~ 11] , 最 近又开 展了磁 场、 超声波对气体水合 物生长 过程影 响的机 理研究。天 津大学 王怀信等 [ 12] 在统计热力学的 基础上 , 对气体 水合物的 生成条件 进行了 理论 计算 , 研 究了 二元 物系 H FC125/ H FC152a 的 热力 学性质 , 对三元混合物 H FC32/ H F C143a/ H FC134a 和 H FC32/ HF C125/ H FC152a 在标准状况下 进行 了理 论制 冷循 环性 能分 析 , 认为两物系在一定组成下 具有与 H CFC22 相 近的热 力学性 质和循环性能。实际应用方 面 , 广 州能源 所和低 温技术 实验中 心共同研制了一套内置换热、 外置促晶的蓄冷系统 , 并对其蓄冷 过程展开了系统的研 究。华 南理工 大学 王世平 等 [ 13] 参照 国外 的系统搭建了一套内置换热 器静态 气体水 合物蓄冷 实验装 置 , 详细观察了 R134a、 R141b、 R142b 气体 水合物 的生 成和分 解过 程 , 并研究了醇类添加剂的 加入对 水合物 生成过 程和导 热系数 的影响。中科院低温中心则 在可视 化蓄冷 过程、 强化传 热技术 和导热系 数 测 试 等 方 面 展 开 了研 究。 重 庆 大学 的 童 明 伟 教 授 [ 14] 提出了一种采用引射器 的气体水合物蓄冷 技术 , 利用引射 器引射制冷剂液体 , 使其在混合腔中气化并与水充分混 合 , 以达 到加快水合物生成速度 的目的。实 验表明 , 该系 统能有 效地减 小结晶过冷度 , 缩短诱导时间。
the resea rch status of the heat transfer pro per ties of nanofluids are discussed in deta il. Cold sto rag e technolog y o f the phase change nanofluid is pr esented, and analy sis and for ecast of its technical superio rity and potentia l applicat ion of the nanofluid ar e made.
绍了纳米流体传热特性的研究现状 , 提出了纳米 流体相变蓄冷技术 , 并对它的技术优势和潜在的应用 前景做了展望和 分析 。 关键词 纳米流体 相变材料 蓄冷技术 传热特性 中图分类号 : T K124 文献标识码 : A
Fundamental Properties and Application Prospect of the Phase Change Nanofluid as a Cold Storage Material
教授提出来的 , 采用复合表面活性剂将水和液体相变材料 ( 一般 为正十四烷 ) 乳化 形成 均匀 稳定 的乳 状液 , 在 常温 下呈 浓牛 奶 状。其中水为连续相 , 为传 热流体 ; 正十 四烷 ( 石蜡 ) 为 分散相 , 与水不相溶 , 是一种固 液 相变蓄 冷材 料 , 在微乳 液中 起蓄 冷流 体兼传热流体的作用。蓄冷时微乳液中 的液滴状正十四烷凝固 成粒径 1~ 5 m 的细微颗粒 , 将冷量储存 起来 , 但微乳液整 体仍 保持流动性 , 其状态似泥浆 , 因此有些文 献也称其为泥浆型相变 蓄冷介质。表面活性剂 的作用 是防止 细微石 蜡颗粒 间的聚集 , 通常采用非离子型 聚乙 烯 乙二醇 , 随 着表 面活性 剂量 的增加 , 石蜡颗粒直径将减小。天津大学赵镇南 教授和日本岗山大学的 Inaba 等 [ 16] 采用 正十四 烷、 水及表面 活性剂 合成的 相变微 乳液 的蓄冷密度明显高于 水的显热 蓄冷系 统 , 因 而能较 大幅度 地缩 短输送管道的尺寸。且 相变后 有一定 的流动 性 , 避 免了一 般固 液相变储冷介质凝固 后只依靠 冰层纯 导热进行 换热的 弱点 , 因 此对冷负荷变 化的适 应性 好。正十 四烷 ( C14 H 30 ) 的熔 点为 5. 8 ! , 相变潜热为 230kJ/ kg, 大 约相当 于水 的 68% , 与 水配 制成 的乳状液经多次反复 试验具有 良好的 稳定性 , 可望 用于空 调系 统中代anofluid, phase change mater ials, cold stor age techno lo gy , heat transfer pro per ties 稳定。动态蓄冰系统和水 / 油蓄冷系统中 , 由于蓄冷材料具有流