一种测量石蜡相变乳液过冷度的新方法：平衡态比容法

石蜡相变乳液是集储热与传热于一体的新型功能流体,具有广阔的应用前景。但石蜡相变乳液在降温时会出现过冷现象,极大降低了其储热与传热的性能。采用差示扫描量热法（DSC）测量石蜡相变乳液的过冷度受到升/降温速率的影响,且升/降温速率越大,测得过冷度越大。提出一种测量石蜡相变乳液过冷度的方法——平衡态比容法。该方法通过测量石蜡相变乳液在不同温度下的比容,以确定乳液中石蜡粒子在升/降温过程中的相变温度,并进一步求解石蜡相变乳液的过冷度。实验结果表明,本研究提出的平衡态比容法能准确测量石蜡相变乳液的过冷度,并从比容变化的角度揭示石蜡相变乳液过冷现象的机理。     

低过冷度石蜡Pickering乳液的制备和表征

石蜡乳液是集储热与传热于一体的新型功能流体,具有广阔的应用前景。但是石蜡乳液在降温时会出现明显的过冷现象,降低了其储热与传热的性能。针对这个问题,用镁-铝层状双金属氢氧化物（Mg-Al LDHs）代替化学表面活性剂,采用高速剪切乳化法,制备了石蜡含量为30%（质量）的O/W型Pickering乳液;分别采用扫描电子显微镜、激光粒度分析仪、流变仪、全能稳定性分析仪和差示扫描量热仪对所制得的石蜡Pickering乳液的微观形貌、粒度分布、黏度、稳定性和热力学性质进行了表征。结果表明,当Mg-Al LDHs的含量从1%（质量）增加到5%（质量）时,石蜡Pickering乳液的粒度减小,黏度升高,稳定性得到改善;在石蜡Pickering乳液中,Mg-Al LDHs纳米颗粒吸附在石蜡液滴表面,诱导石蜡在降温时异相成核结晶,从而抑制了其过冷现象;所制备的石蜡Pickering乳液的相变焓值约为56.6 J·g^-1,在测试的温度范围内（30~70℃）的平均表观比热容为6.08 J·g^-1·K^-1,是纯水的1.45倍,具有良好的储热性能。     

测试速率对PEG/GO定型相变材料熔融和结晶性能的影响

以聚乙二醇/氧化石墨烯(PEG/GO)定型相变材料为测试样品,采用差示扫描量热法(DSC)对其熔融、结晶性能进行了表征,研究了测试速率(即升/降温速率)对该相变材料熔融、结晶温度和热焓的影响。结果表明:随着降温速率的增加,PEG/GO相变材料的结晶温度逐渐降低;随着升温速率的增加,材料的熔融温度逐渐提升;测试速率越高,焓值越小;随着GO加入量的增加,升降温时的焓值均呈现降低的趋势;相同GO含量的PEG/GO定型相变材料,其熔融焓总是大于同等测试速率下得到的结晶焓,而且测试速率越快,差值越大;在相同测试速率下,GO的添加量基本不会对PEG/GO相变材料的熔融、结晶温度产生影响。     

三水醋酸钠相变储能复合材料改性制备及储/放热特性

水合盐相变储热材料普遍存在的过冷和相分离现象是影响其热稳定性和热性能的关键问题。以中低温水合盐相变储热材料三水醋酸钠（SAT）为研究对象,采用熔融共混法将羧甲基纤维素（CMC）和十二水磷酸氢二钠（DHPD）作为添加剂对三水醋酸钠进行了改性研究,通过各成分的配比优化制备了高性能相变储热复合材料,利用DSC及熔融-凝固装置对改性材料进行了热物性和稳定性的测试,分析了不同质量分数的添加剂对相变储热复合材料的相变焓、相变温度、过冷度及相分离现象的影响;在此基础上采用改性的SAT相变储热复合材料构建了高密度储热器并搭建了相变储能热水实验系统,研究了不同运行工况下相变储热器的储/放热性能。结果表明：添加0.5% CMC和2% DHPD的相变储热复合材料有效改善了纯SAT的相分离严重和过冷度大的问题,具有良好的热稳定性,多次循环后复合样品的相变焓为258 kJ·kg^-1,相变温度为57℃,过冷度在2℃以内;相变储能热水系统在不同放热工况下出口水温度均超过50℃,放热过程中相变材料温度变化平稳,储热器的储放热效率高于90%,放热功率大于10 kW,且随着入口水温下降,放热功率、放热量及储放热效率都提高,相变储热器的储能密度是传统水箱的2.6倍。     

三水醋酸钠相变储能复合材料改性制备及储/放热特性

水合盐相变储热材料普遍存在的过冷和相分离现象是影响其热稳定性和热性能的关键问题。以中低温水合盐相变储热材料三水醋酸钠(SAT)为研究对象,采用熔融共混法将羧甲基纤维素(CMC)和十二水磷酸氢二钠(DHPD)作为添加剂对三水醋酸钠进行了改性研究,通过各成分的配比优化制备了高性能相变储热复合材料,利用DSC及熔融-凝固装置对改性材料进行了热物性和稳定性的测试,分析了不同质量分数的添加剂对相变储热复合材料的相变焓、相变温度、过冷度及相分离现象的影响;在此基础上采用改性的SAT相变储热复合材料构建了高密度储热器并搭建了相变储能热水实验系统,研究了不同运行工况下相变储热器的储/放热性能。结果表明:添加0.5%CMC和2%DHPD的相变储热复合材料有效改善了纯SAT的相分离严重和过冷度大的问题,具有良好的热稳定性,多次循环后复合样品的相变焓为258 k J?kg~(-1),相变温度为57℃,过冷度在2℃以内;相变储能热水系统在不同放热工况下出口水温度均超过50℃,放热过程中相变材料温度变化平稳,储热器的储放热效率高于90%,放热功率大于10 k W,且随着入口水温下降,放热功率、放热量及储放热效率都提高,相变储热器的储能密度是传统水箱的2.6倍。     

相变储热的传热强化技术研究进展

相变储热技术具有储热密度大、相变温度稳定以及过程容易控制等优点,具有广泛应用前景。相变储热技术在应用中需完成热能的储存与释放过程,其传热特性直接决定应用效果。储热技术的传热强化主要包括三个方面：一是相变材料本身的导热强化;二是潜热型功能热流体的对流传热强化;三是储热器的传热强化。本文综述了国内外在相变储热技术的传热强化研究方面的进展,主要介绍了膨胀石墨、泡沫金属等复合相变材料的导热强化,相变微胶囊及相变微、纳米乳液潜热型功能热流体传热强化以及管壳式储热器、板式储热器、螺旋盘管储热器等储热器的传热强化。文章指出,膨胀石墨基复合相变材料具有高热导率、大储热密度以及良好的定型特性,且价格低廉,极具应用前景。纳米乳液功能热流体具有表观比热容大、流阻较小等优势,但存在稳定性较差、过冷度大等问题。板式储热器具有较大的传热面积、较高的传热功率,适宜应用于相变材料传热系统。但应用背景不同,针对不同场景提供不同储热器的选型及指导值得作进一步的研究。     

Cu纳米流体真空闪蒸制冰的实验特性

在去离子水中加入Cu纳米颗粒,通过添加分散剂和超声波振荡,配制均匀分散的Cu-H₂O纳米流体。在100 Pa初始压力下,通过改变纳米颗粒粒径、纳米流体质量分数研究均匀分散的纳米流体对真空闪蒸制冰实验特性的影响。结果表明,水中加入纳米颗粒（无分散剂,纳米颗粒有沉降现象）,可降低水过冷度,缩短相变结冰时间,而分散均匀无沉降的纳米流体可显著缩短相变时间,使过冷度降低37%;在闪蒸瞬间,纳米流体对液相降温过程几乎没有影响;纳米流体质量分数越大,结冰时间越短,固相降温段降温速率越大;随着纳米颗粒粒径减小,相变时间缩短,而固相降温阶段温降速率几乎相同,较低浓度时（0.05%）,粒径的改变,对纳米流体过冷度影响不大,基本维持在1.5℃。     

泡沫铜/石蜡复合相变储能材料的储放热过程及数值模拟

作为储热和热管理技术的重要材料之一,相变储能材料通常具有储热密度较大、相变温度变化较小的优势,但其热导率较低,热传递效率较差。本文将泡沫铜用于石蜡相变储能材料的传热强化,通过测定相变储能材料储放热过程的温度变化,考察了添加泡沫铜对相变储能材料储放热速率和温度均匀性的影响,且在实验基础上对储能材料的放热过程进行建模并求解,得到温度云图,为实际应用提供理论依据。结果表明,添加泡沫铜后,石蜡的相变储热和放热时间分别缩短了16.67%和14.71%;储放热过程复合材料中心层与外层中心点的最大温差分别降低了91.5%和87.5%;建立放热过程相变储能材料温度随时间变化的模型,对比实际值和模型预测值,得到相关系数及标准误差分别为0.99℃和0.13℃,证明该模型准确度较高,可有效预测相变储能材料的温度变化情况。     

PA@SiO_2相变储能微胶囊的制备及其热性能研究

以SiO_2为壳材,相变材料石蜡(PA)为芯材,采用界面水解缩聚法制备石蜡相变微胶囊(PA@SiO_2)。FT-IR和SEM测试结果表明,制备的石蜡相变微胶囊具有球形颗粒外观,且制备过程中除了正硅酸四乙酯(TEOS)的水解缩聚,没有发生其他化学反应;DSC及TGA对样品进行热性能测试,得出该微胶囊熔融温度和熔融热焓分别为53.64℃和67.19 kJ/kg,其热效率可达44.83%,且SiO_2的包覆提高了相变材料的热稳定性。此外,利用红外热成像仪观察石蜡与相变微胶囊的升降温过程发现,经无机壳材SiO_2包覆后,材料的升降温速率较石蜡相变材料明显提高,且微胶囊化对固-液相变材料具有很好的定形效果。制备的相变微胶囊具有较高的相变潜热,可在能量存储、蓄热调温及军事伪装等方面得到应用。     

Cu纳米流体真空闪蒸制冰的实验特性

在去离子水中加入Cu纳米颗粒,通过添加分散剂和超声波振荡,配制均匀分散的Cu-H_2O纳米流体。在100 Pa初始压力下,通过改变纳米颗粒粒径、纳米流体质量分数研究均匀分散的纳米流体对真空闪蒸制冰实验特性的影响。结果表明,水中加入纳米颗粒(无分散剂,纳米颗粒有沉降现象),可降低水过冷度,缩短相变结冰时间,而分散均匀无沉降的纳米流体可显著缩短相变时间,使过冷度降低37%;在闪蒸瞬间,纳米流体对液相降温过程几乎没有影响;纳米流体质量分数越大,结冰时间越短,固相降温段降温速率越大;随着纳米颗粒粒径减小,相变时间缩短,而固相降温阶段温降速率几乎相同,较低浓度时(0.05%),粒径的改变,对纳米流体过冷度影响不大,基本维持在1.5℃。     

泡沫金属复合相变材料的制备与性能分析

利用泡沫金属多孔结构的吸附性能,以八水氢氧化钡为相变材料,泡沫铜为基体,制备了结晶水合盐/泡沫金属复合相变材料。采用差示扫描量热法测定了八水氢氧化钡的热循环性能,随着热循环次数的增加,相变材料的相变温度基本不变,相变潜热略有减少,八水氢氧化钡具有较好的热稳定性。搭建了相变储能实验台,实验分析了3组不同实验方案,结果表明,填充泡沫铜不仅增强了相变材料的传热速率,而且有效地降低了八水氢氧化钡的过冷度。当泡沫金属使用较大孔密度后,结晶水合盐的过冷问题得到了比较明显的改善。     

泡沫金属强化石蜡相变蓄热过程可视化实验

相变材料的低热导率是限制潜热蓄热广泛应用的重要原因。将相变材料石蜡真空条件下注入到泡沫金属铜内制备泡沫金属铜-石蜡复合相变材料,通过铜的高热导率及高孔隙材料的大面体比来强化相变换热过程。采用DSC示差扫描量热法对石蜡进行热物性测量获得准确的石蜡相变温度及相变潜热。以管壳式相变蓄热结构为对象,提取对称结构进行可视化设计,对比纯石蜡及泡沫金属铜-石蜡复合材料在相同运行条件下的相变过程,追踪二者熔化过程的相界面位置随时间的演化过程并布置热电偶准确测量材料内部的温度分布。结果显示加入泡沫金属后的复合材料的内部温差明显减小,温度分布均匀,蓄热热通量显著增大,有效缩短相变时间并缓解了自然对流造成的顶部过热和底部不熔化现象。     

六水硝酸镁相变储热复合材料改性制备及储/放热性能研究

水合盐相变材料因具有较高的相变焓和较低的成本在中低温储热领域有着广泛的应用前景,但其在储放热过程中通常存在过冷度大和热循环稳定性差的问题。以六水硝酸镁为主要研究对象开展相变储热复合材料的改性制备及相变储热装置的研制,采用熔融共混法制备了以二水硫酸钙为成核剂的六水硝酸镁相变储热复合材料,利用差示扫描量热仪及步冷曲线法测试了相变储热复合材料的热物性和循环热稳定性。在此基础上设计并构建了储热量为152 kWh的相变储热装置和相变储热系统,并对其储/放热性能进行了测试。结果表明：添加了2%（质量）二水硫酸钙的相变储热复合材料具有较好的循环热稳定性,且在经过50次熔化-凝固循环后其过冷度一直保持在0.5℃内,相变温度保持在87℃左右,相变焓保持在150 kJ/kg以上;相变储热装置可实现高达27 kW的平均储热功率,在保证放热过程中出水温度不低于56℃的情况下,可实现8 kW的平均放热功率和92.3%的储-放热效率,可满足建筑采暖及日常生活热水需求。     

组合相变材料强化固液相变传热可视化实验

采用高清相机和红外热像技术,对组合相变材料融化-凝固循环过程与传热特性开展了可视化实验研究。以填充三种石蜡的相变蓄热腔体为研究对象,追踪了腔体内固液相界面的动态演化过程和温度分布的变化规律。在此基础上,考察了相变材料布置顺序对蓄热腔体热性能的影响,分析了组合相变材料蓄热腔体的相变行为及强化传热特性。结果表明,相变温度较高的相变材料应靠近加热壁面布置;组合相变材料蓄热腔体存在多个固液相界面现象,不同相变材料可同时融化/凝固;与单一相变材料相比,组合相变材料的应用改善了蓄热腔体各单元相变速率的均匀性,提高了平均相变速率;组合相变材料虽然降低了蓄热腔体的显热蓄热量,但减小了温度变化速率,增强了系统的稳定性,并显著增加了潜热蓄热量,有效提高了相变蓄热腔体的总蓄热量。     

石蜡/水相变乳液的制备与性能

低温石蜡/水相变乳液作为一种潜热蓄冷流体,具有储能密度高、可泵送的特点,可取代水作为传热介质应用于集中供冷系统中,降低二次循环水泵的运行能耗。基于集中供冷系统的应用要求,选择不同的组分制备相变乳液,包括石蜡、表面活性剂以及晶核剂,并研究其组分含量对乳液分散相粒径分布、热力学性能与流变性能的影响,最终确定相变乳液的制备方法与性能参数。采用所述方法制备的相变乳液具有良好的稳定性,其储能容量为水的2~6倍,且过冷度不高于2K。     

石蜡/水相变乳液的制备与性能

低温石蜡/水相变乳液作为一种潜热蓄冷流体,具有储能密度高、可泵送的特点,可取代水作为传热介质应用于集中供冷系统中,降低二次循环水泵的运行能耗。基于集中供冷系统的应用要求,选择不同的组分制备相变乳液,包括石蜡、表面活性剂以及晶核剂,并研究其组分含量对乳液分散相粒径分布、热力学性能与流变性能的影响,最终确定相变乳液的制备方法与性能参数。采用所述方法制备的相变乳液具有良好的稳定性,其储能容量为水的2～6倍,且过冷度不高于2 K。     

温室用Na2SO4·10H2O-Na2HPO4·12H2O复合定形相变材料制备及性能

十水硫酸钠因过冷度、相分离、相变温度过高和液相泄漏等问题,限制了其在日光温室中的应用,所以需要对其进行改性研究。本文通过添加十二水磷酸氢二钠改善过冷度、氯化钾降低相变温度以及树脂作基体解决相分离和液相泄漏,制备出了Na₂SO₄·10H₂O+80% Na₂HPO₄·12H₂O+6% KCl+6%树脂（质量分数,余同）的复合定形相变材料,并进行了升降温、差示扫描量热仪（DSC）和循环稳定性的测试。结果表明：添加80%十二水磷酸氢二钠,其过冷度和相变潜热分别为1.35℃和268.7J/g;再添加6% KCl可以使相变温度达到温室所需温度23.89℃,且潜热为183.25J/g;最后加入6%树脂可以抑制相变材料的相分离和液相泄漏等问题,其凝固温度为11.56℃,熔化温度为22.61℃,过冷度为1.41℃,相变潜热为143.6J/g。复合定形相变材料在加热到50℃时,没有液相泄漏产生;经过100次循环,其潜热降为127.8J/g,比循环1次衰减了11.2%。得到的复合定形相变材料具有潜热值较大、相变温度合适、热稳定性较好等优点,适合应用于日光温室领域。     

组合相变材料强化固液相变传热可视化实验

采用高清相机和红外热像技术，对组合相变材料融化-凝固循环过程与传热特性开展了可视化实验研究。以填充三种石蜡的相变蓄热腔体为研究对象，追踪了腔体内固液相界面的动态演化过程和温度分布的变化规律。在此基础上，考察了相变材料布置顺序对蓄热腔体热性能的影响，分析了组合相变材料蓄热腔体的相变行为及强化传热特性。结果表明，相变温度较高的相变材料应靠近加热壁面布置；组合相变材料蓄热腔体存在多个固液相界面现象，不同相变材料可同时融化/凝固；与单一相变材料相比，组合相变材料的应用改善了蓄热腔体各单元相变速率的均匀性，提高了平均相变速率；组合相变材料虽然降低了蓄热腔体的显热蓄热量，但减小了温度变化速率，增强了系统的稳定性，并显著增加了潜热蓄热量，有效提高了相变蓄热腔体的总蓄热量。     

基于超声衰减和声速动态监测石蜡的相变过程

为研究石蜡在相变过程中内部结构和状态的改变特性,用中心频率为5 MHz的脉冲式超声波动态测量石蜡的相变过程,采集并分析不同升降温速率下的声速和声衰减信号的变化规律,结果与差示扫描量热仪(DSC)测量的热力学性质比较,并拍摄石蜡溶解过程的图像为辅助,探讨了二者由于测量原理不同导致的差异和特点。结果表明,两种方法均得到约50℃的初凝点,且二者信号反映的相变规律一致,表明利用声衰减和声速能够较好的表征石蜡在相变过程中的声学特性。超声可能成为一种新的蜡化物性质原位测量手段。     

降温速率对磷酸二氢铵介稳区影响的研究

采用聚焦光束反射测量（FBRM）技术测定了磷酸二氢铵溶液介稳区宽度。测定了不同降温速率下磷酸二氢铵溶液的成核温度,得到对应的磷酸二氢铵结晶介稳区宽度。结果表明：在降温速率一定时,磷酸二氢铵溶液过冷度随温度降低而增加,介稳区变宽;在不同降温速率下,介稳区宽度随降温速率增加而增加,其中降温速率为 1.0 ℃/min时介稳区宽度最大,降温速率为0.2 ℃/min和0.1 ℃/min时介稳区宽度不变。