雙層相變材料組合式蓄冷裝置的性能研究

凌子夜，王前蒿，張正國，高學(xué)農(nóng)，方曉明

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雙層相變材料組合式蓄冷裝置的性能研究

凌子夜，王前蒿，張正國，高學(xué)農(nóng)，方曉明

（華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510641）

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了兩種相變溫度分別為-5.4 ℃和-9.6 ℃、相變焓分別為132 kJ/kg和173 kJ/kg的十三烷和十二烷在不同組合模式下對(duì)蓄冷裝置溫度變化的影響。結(jié)果表明，十三烷在外層、十二烷在內(nèi)層的組合模式，盡管總相變潛熱在所有組合中僅排第三，但蓄冷裝置將內(nèi)壁溫度控制在0 ℃以下的時(shí)間最長，與雙層同為十二烷的工況相同，高于雙層同為十三烷及十三烷在內(nèi)十二烷在外層的模式。相變溫度更高的材料在外層，可以降低環(huán)境熱量傳遞至蓄冷裝置內(nèi)部的速率，延長蓄冷時(shí)間，有利于提高蓄冷裝置的性能。

相變材料；蓄冷；多層結(jié)構(gòu)

生活中大量的食品、醫(yī)療用品等需要在低溫的環(huán)境中儲(chǔ)存運(yùn)輸。將低溫相變材料應(yīng)用于冷鏈運(yùn)輸設(shè)備的蓄冷裝置中，可利用相變材料在發(fā)生固-液相變的過程中具有恒溫特性及大的相變潛熱的優(yōu)點(diǎn)，儲(chǔ)存冷量后長時(shí)間提供低溫氛圍，實(shí)現(xiàn)低溫儲(chǔ)藏產(chǎn)品的長距離運(yùn)輸[1-2]。

為了提高蓄冷裝置的性能，延長蓄冷裝置的控溫時(shí)間，選擇合適的相變材料及改進(jìn)蓄冷裝置的結(jié)構(gòu)十分必要。利用多層相變材料，借助相變溫度不同的相變材料，利用能量的分級(jí)儲(chǔ)存能夠有效地調(diào)節(jié)能量在存儲(chǔ)過程中的傳遞速率。FANG等[3]通過數(shù)值模擬的方法研究了一種使用多種相變材料的管殼式潛熱儲(chǔ)能單元的性能，結(jié)果表明不同相變材料的百分比和融化溫度是影響潛熱儲(chǔ)能單元性能的關(guān)鍵因素，選擇合適的相變材料、優(yōu)化各層相變材料的比例，能夠獲得最大的傳熱速率，從而提高系統(tǒng) 的性能。TAO等[4]通過研究相變溫度對(duì)儲(chǔ)能速率及效率的影響，發(fā)現(xiàn)合理配置多層相變材料，能夠提高相變蓄熱器的傳熱速率、減少有效能的損耗。CHIU等[5]發(fā)現(xiàn)多層相變材料可以在蓄放熱過程中提供更大的溫差推動(dòng)力，從而提高傳熱速率。多層相變材料也被應(yīng)用于建筑節(jié)能中，XIA等[6]和ZHU等[7]采用了將兩種相變溫度不同的相變材料相結(jié)合的方式，利用高相變溫度及低相變溫度的相變材料，分別滿足建筑物儲(chǔ)冷、儲(chǔ)熱的需求，降低室內(nèi)加熱及制冷的能耗。

然而，此前將多層相變材料應(yīng)用于儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷系統(tǒng)中，相變材料的布置方式主要是為了增大相變材料與傳熱介質(zhì)之間熱量的傳遞速率。而對(duì)于長時(shí)間為食品、醫(yī)療制品等提供低溫環(huán)境的儲(chǔ)冷系統(tǒng)，需要降低相變材料與傳熱介質(zhì)之間的熱量傳遞速率，盡可能地避免外部的熱量傳入儲(chǔ)藏物品，抑制溫度的升高速率，以保證內(nèi)部溫度盡可能長時(shí)間保持在較低水平。因此，本研究以相變溫度分別為-5.4 ℃和-9.6 ℃的十三烷和十二烷作為相變材料，研究不同搭配模式下蓄冷裝置儲(chǔ)冷時(shí)間及溫度的變化規(guī)律，從而獲得能夠延長冷量釋放周期的、適用于低溫儲(chǔ)存的多層相變蓄冷模式。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)采用十二烷（純度：98%，阿拉丁工業(yè)公司）和十三烷（純度：98%，阿拉丁工業(yè)公司）作為相變材料，其熱物性如表1所示，其中密度由產(chǎn)品供應(yīng)商提供，比熱容、相變溫度和相變焓通過差式掃描量熱儀（Q20，TA儀器公司）測(cè)得，熱導(dǎo)率由熱常數(shù)分析儀（TPS2500，Hotdisk公司）測(cè)得。

表1 相變材料的熱物性

實(shí)驗(yàn)采用的蓄冷裝置如圖1(a)所示，高度為101.5 mm，壁厚1.5 mm，其余尺寸如圖1(b)所示。蓄冷裝置為三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為模擬儲(chǔ)藏層，其內(nèi)壁溫度決定著儲(chǔ)藏物品的環(huán)境溫度；外部有兩層相變材料層，如表2所示，考察兩種相變材料以不同組合方式裝填時(shí)對(duì)內(nèi)層溫度的影響。裝置最外層包有20 mm厚的保溫棉[熱導(dǎo)率0.034 W/(m·K)，河北神舟保溫建材集團(tuán)有限公司]，內(nèi)部裝有9根精度為±0.5 K的K型熱電偶，其布置如圖2所示，其中裝填相變材料的兩層內(nèi)壁面高度為0 mm和50 mm位置分別貼有2根高度不同的熱電偶，層間在高度分別插入2根熱電偶，中心層內(nèi)壁貼有1根熱電偶。熱電偶與安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集儀連接，記錄裝置內(nèi)部溫度變化數(shù)據(jù)。

表2 相變材料組合方式

實(shí)驗(yàn)過程如下：首先把蓄冷裝置放置于HAAKE-C50P制冷油浴中降溫蓄冷，待熱電偶顯示模具整體溫度在-15 ℃左右停止；將蓄冷完畢的模具放置在溫度為25 ℃的環(huán)境中進(jìn)行升溫測(cè)試，溫度數(shù)據(jù)通過熱電偶記錄，環(huán)境溫度由高低溫交變濕熱試驗(yàn)循環(huán)箱（上海一恒科技有限公司，型號(hào)BPHJS-060A）控制。實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同組合模式下蓄冷裝置內(nèi)層溫度，每種組合模式的實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖3為各實(shí)驗(yàn)條件下同一垂直高度上的各點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)圖。由圖3(c)和3(d)可見，當(dāng)內(nèi)外兩層相變材料同為十二烷或十三烷時(shí)，蓄冷裝置的溫度逐漸升高，并在相變溫度-9 ℃和-5 ℃附近出現(xiàn)平臺(tái)；溫度的升高速率按照從外層往中心逐漸降低的趨勢(shì)，與環(huán)境帶來的熱量從外向內(nèi)傳遞的規(guī)律吻合。然而，若內(nèi)外兩層相變材料不同，兩層的溫度平臺(tái)有所不同。當(dāng)內(nèi)層為十二烷，外層相變材料為十三烷時(shí)，如圖3(a)所示，由于內(nèi)層相變溫度低于外層，外層溫度依然較內(nèi)層上升得快。此時(shí)，內(nèi)層相變材料在-9 ℃附近出現(xiàn)了溫度平臺(tái)，外層相變材料在-5 ℃附近出現(xiàn)了溫度平臺(tái)，中間層的壁面溫度（6#測(cè)溫點(diǎn)）在-7 ℃附近出現(xiàn)溫度平臺(tái)，介于兩種相變材料的相變溫度之間。當(dāng)內(nèi)層為十三烷，外層為十二烷時(shí)，如圖3(b)所示，外層相變材料溫度在-9 ℃產(chǎn)生平臺(tái)后，快速上升至0 ℃形成第二個(gè)溫度平臺(tái)，內(nèi)層相變材料則未形成-5 ℃的溫度平臺(tái)，而是緩慢經(jīng)歷了從-9 ℃至-5 ℃的溫度上升斜坡。中間層的壁面溫度始終處于內(nèi)外兩層相變材料溫度之間。

由于使用蓄冷裝置的目的在于延緩儲(chǔ)藏物品的升溫速率，圖4對(duì)比了不同相變材料組合模式下，最內(nèi)層壁面溫度變化上升至0 ℃所需時(shí)間。雙層都為十三烷時(shí)，內(nèi)壁溫度上升至0 ℃速率最快，內(nèi)層為十三烷外層為十二烷時(shí)，內(nèi)壁溫度上升速率次之，雙層都為十二烷以及內(nèi)層為十二烷外層為十三烷時(shí)，內(nèi)壁溫度上升速率相近，上升至0 ℃所需時(shí)間最長。

雙層同為十三烷時(shí)，儲(chǔ)藏層內(nèi)壁溫度（4-9）在50 min左右上升至-5 ℃，在-5 ℃保持了約100 min后再經(jīng)過45 min上升至0 ℃。相比于其它組合，雙層同為十三烷的裝置出現(xiàn)溫度平臺(tái)的時(shí)間最遲，溫度平臺(tái)持續(xù)時(shí)間最短。原因在于十三烷的相變溫度高，需要花費(fèi)更多的時(shí)間才能使內(nèi)壁溫度上升至該相變溫度；而十三烷的相變焓較十二烷低，相同體積下能夠儲(chǔ)存的冷量少，因此吸熱時(shí)間較短。

外層為十二烷內(nèi)層為十三烷時(shí)，內(nèi)壁溫度（2-9）經(jīng)48 min左右上升至-9.6 ℃，此后經(jīng)過140 min緩慢呈線性上升至-5 ℃，再經(jīng)歷20 min上升至0 ℃。盡管該組合具有更高的相變焓，但內(nèi)壁溫度上升至0 ℃與前一組合并無顯著差別。將低相變溫度的十二烷置于外層，使得外層溫度在前期處于-9 ℃的低溫，與環(huán)境溫度相差較大，加快了環(huán)境對(duì)蓄冷裝置的傳熱，加速了相變材料儲(chǔ)存冷量的消耗，造成相變焓高卻保冷時(shí)間并未顯著增長的結(jié)果。

雙層同為十二烷時(shí)，內(nèi)壁溫度（3-9）在18 min就達(dá)到了-9.6 ℃的溫度平臺(tái)，并在該溫度下維持了147 min后再經(jīng)過73 min上升至0 ℃。由于十二烷的相變溫度低，相變焓高，因此該組合模式下，內(nèi)壁溫度率先到達(dá)相變材料的溫度平臺(tái)，溫度平臺(tái)持續(xù)的時(shí)間長，從而有效延長了內(nèi)壁溫度上升至0 ℃所需的時(shí)間。

然而需要注意的是，當(dāng)內(nèi)層為十二烷，外層為十三烷時(shí)，內(nèi)壁溫度（1-9）經(jīng)過19 min達(dá)到-9.6 ℃，之后經(jīng)過155 min線性上升至-5 ℃，再經(jīng)過64 min上升至0 ℃。盡管該組合的相變材料相變焓在4個(gè)組合中僅列第三，但是將內(nèi)壁溫度保持在0 ℃以下的時(shí)長卻達(dá)到了238 min，與雙層同為十二烷的組合模式下的控溫時(shí)間相同。

相變材料按照相變溫度內(nèi)低外高組合模式能夠在相變潛熱較低的情況下提供長時(shí)間低溫氛圍，其原因在于環(huán)境的熱量從四周往中心傳遞，外層相變材料首先吸收并存儲(chǔ)熱量。若外層材料相變溫度較內(nèi)層高，外層相變材料可以縮小外層與環(huán)境之間的溫差，起到緩沖作用，減小環(huán)境向裝置內(nèi)部輸送熱量的速率。相比其它組合方式，相變溫度內(nèi)低外高的組合方式利用熱量傳遞過程，使相變過程所需時(shí)間最長，從而保障內(nèi)層低相變溫度的材料能夠長時(shí)間發(fā)揮自身低相變溫度的優(yōu)勢(shì)，減緩內(nèi)壁溫度上升速率。此外，十二烷價(jià)格較高，為十三烷的2倍，但是通過與價(jià)格更為低廉的相變材料組合使用，蓄冷裝置不僅能夠保證長時(shí)間提供較低的儲(chǔ)藏溫度，其成本也可有效降低。

3 結(jié) 論

本研究對(duì)比了兩種不同相變溫度的相變材料在4種組合模式下的蓄冷性能，結(jié)果表明，當(dāng)內(nèi)層采用相變溫度低的十二烷，外層采用相變溫度較高的十三烷時(shí)，蓄冷裝置的總潛熱值在4種組合中僅列第三，其控溫時(shí)間卻達(dá)到了最長的238 min，與雙層同為十二烷的裝置相同，比雙層同為十三烷的裝置延長了43 min。由于外層放置相變溫度更高的相變材料，可以減小環(huán)境與蓄冷裝置之間的溫差，環(huán)境熱量傳遞至蓄冷裝置的速率下降，因此構(gòu)建雙層相變材料的蓄冷結(jié)構(gòu)，通過合理地配置相變溫度不同的相變材料，對(duì)能量分級(jí)儲(chǔ)存，可以延長蓄冷時(shí)間，提升相變材料的蓄冷能力。而且，通過不同相變溫度及不同價(jià)格的相變材料進(jìn)行合理搭配，可以降低蓄冷裝置的成本。

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Performance study of a cold storage device with a combination of two phase change materials

LING Ziye, WANG Qianhao, ZHANG Zhengguo, GAOXuenong, FANG Xiaoming

(School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation, the Ministry of Education, Guangzhou 510641, Guangdong, China)

Cold storage using phase change materials (PCMs) has wide applications on the transportation of food and medical products. This article presents a study on the performance of a cold storage device with two PCMs in a layered structure. Tridecane and dodecane were used as the PCMs, which have phase change temperatures and phase change enthalpies of ?5.4 ℃ and 132 kJ/kg, and ?9.6 ℃ and 173 kJ/kg, respectively. The main objective of the study was to find the best combination of the two PCMs giving the longest storage period. The results showed that the combination with tridecane placed outside and dodecane inside gave the longest time for the inner wall temperature to change from ?15 ℃ to 0 ℃ although the combination only had the 3rd largest total latent heat. Same conclusions were obtained with pure dodecane, which was longer than the unit with pure tridecane and tridecane located outside layer and dodecane inside. Placing the PCM with a higher phase change temperature in the outside layer reduced the heat transfer rate from the ambient to the internal core of the cold storage unit, leading to an increase in the cold storage period and improvement in the cold storage performance.

phase change materials; cold storage; multi-layer structure

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0043

TK 02

A

2095-4239（2017）04-696-05

2017-04-17；

2017-05-17。

廣東省應(yīng)用型科技研發(fā)專項(xiàng)（2016B020243008），廣東省自然科學(xué)基金（2014A030312009）項(xiàng)目。

凌子夜（1989—），男，博士研究生，主要研究方向相變儲(chǔ)能材料及其應(yīng)用，E-mail：zyling@scut.edu.cn；

張正國，教授，主要研究方向相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，E-mail：cezhang@scut.edu.cn。