定形相变储能建筑材料的制备与热性能研究.pdf

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定形相变储能建筑材料的制备与热性能研究1 定形相变储能建筑材料的制备与热性能研究2 定形相变储能建筑材料的制备与热性能研究3 定形相变储能建筑材料的制备与热性能研究4 定形相变储能建筑材料的制备与热性能研究5
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 54   材料工程/2010年6期    定形相变储能建筑材料的制备与热性能研究     — PreparationandThermalPerformanceofShapestabilized       EnergyStoragePhaseChangeBuildingMaterials    马烽,王晓燕,李   飞,陈明辉   (山东轻工业学院化学工程学院,济南250353)    —   — MAFeng,WANGXiaoyan,LIFei,CHENMinghui      (DepartmentofChemicalEngineering,      ShandongInstituteofLightIndustry,Jinan250353,China)                摘要:采用真空浸渗的方法,将棕榈酸和1一六醇的低共熔物(PAHD)与膨胀珍珠岩(EP)结合,制备一种新型定形相变      —        材料(PA_HD/EP)。环境扫描电子微镜测试显示相变材料PAHD进入到珍珠岩的孔道结构中。棕榈酸和十六醇的          — 低共熔物在膨胀珍珠岩的最佳浸渗量为58.0(质量分数,下同),在此浸渗量下,即使是没有进行包覆,PAHD也不会    —  ℃     在发生相变时从EP中渗漏。差示扣描量热仪测试获得PAHD/EP的熔点为41.49,相变焓值为122.9J/g。通过在             PA-HD/EP中添加1O石墨,改善材料的导热性能。该复合相变材料可以很好地与普通建筑材料进行结合,进一步制   备成具有温度调节功能的建筑材料。      关键词:定形;储能;相变材料;膨胀珍珠岩 中图分类号:TU502  文献标识码:A    文章编号:1OO1-4381(2010)06005405 —     —   Abstract:Ashapestabilizedcompositephasechangebuildingmaterial(PAHD/EP)forlatentheat                storagewaspreparedbyvactltlminfiltrationmethodusingtheeutecticmixtureofpalmitieacid(PA)           andhexadecanol(HD)asphasechangematerial,expandedperlite(EP)asskeleton.Environmental               scanningelectronmicroscopeshowedthatPA~HDhadentirelypenetratedintoporestructureofthe                 matrixmateria1.TheoptimumPA~HDabsorptionofEPwasfoundtobe58(massfraction,the   —    —    samebelow)withoutmeltedPAHEleakagefromthePAHD/EPcomposite.Bydifferentialscanning                calorimetrythermalanalysis,thephasechangetemperatureandthephasetransitionenthalpyofmelt-  —           — ingforPAHE/EPcompositewerefoundtobe41.49 ̄Cand122.9J/grespectively.Thethermalcon   —           — ductivityofthePAHD/EPcompositewasobviouslyincreasedbyadding10graphite.Thecompos               itecanintegratewithnormalbuildingmaterialswell,SOthatthebuildingmaterialwhichhasthermal       adjustmentfunctioncanbepreparedfurther. —     Keywords:shapestabilized;energystorage;phasechangematerial;expandedperlite        相变储能是利用相变材料的相变潜热进行能量储          存的一项新型环保节能技术口]。相变材料是在其本身             发生相变的过程中,吸收环境的热(冷)量,并在需要时               向环境放出热(冷)量,从而达到控制周围环境温度和   节能的目的。通过向普通建筑材料中加人相变材料,  可以制成具有较高热容的轻质建筑材料,称之为相变                储能建筑材料。利用相变储能建筑材料构筑建筑结  构,可以降低室内温度波动,提高舒适度,使建筑供暖   或空调不用或者少用能量;可以减小所需空气处理设              备的容量,同时可使空调或供暖系统利用夜问廉价电   运行,降低空调或供暖系统的运行费用。    相变材料应用于建筑材料中有一些特殊的要求,    比如价格低廉且资源丰富无腐蚀性,无毒,无特殊气                味,潜热能高,过冷度低,使用寿命长等。其中有机类             的相变材料比较符合以上优点,但与无机物相比,存在            导热性较低,易燃等缺点]。近年来出现了一种定形  相变材料,将各类蓄热材料与合适的基体材料复合,在 相变前后均能维持原来的形状(固态),对容器要求很          低,明显降低了相变储热系统的成本,而且某些性能优  异的定形相变材料可以与传热介质直接接触,使换热      效率得到很大提高。           膨胀珍珠岩是由火山玻璃质熔岩经高温焙烧瞬时  膨胀而成的一种白色多孔颗粒状物质,因其具有珍珠             裂隙结构而得名。它具有容重轻、无毒、无味、不腐、耐                 定形相变储能建筑材料的制备与热性能研究 55              酸、耐碱、绝热、吸音等性能。膨胀珍珠岩原料丰富,价                  格低廉,使用安全,施工方便,可广泛应用于石油、化             工、电力、冶金和建筑等领域,在屋面隔热保温、墙体复            合保温、热力管道保温层,以及冷库围护结构的隔热层            中都得以广泛的应用。本研究将膨胀珍珠岩作为定形                   相变材料的骨架,将相变材料吸附到膨胀珍珠岩微孔                   中,起到固定相变材料使其不致在发生相变时从基体            中渗漏出来,同时也可以起到阻燃的作用,制备出具有                较高储热密度的复合相变储能材料,并采用添加石墨       提高材料的导热性能。   1实验   1.1原料     棕榈酸(PauricAcid,PA),Cl6H32O2,AR;正十六        醇(Hexadecanol,HD),C16H34O,AR;膨胀珍珠岩      (ExpandedPerlite,EP),化学组成见表1。    膨胀珍珠岩的孔结构采用Poremaster60压汞仪       ℃       进行测试,测试温度为25,汞的密度为13.5g/mL,     —        执行标准为ASTMD428403。图1为膨胀珍珠岩的               孔径分布图,由图1可以看出孔径主要分布在100~            2500nm,占总分布的76,剩余的孔径分布也多为                5O~100nm的孔。测得膨胀珍珠岩中值孑L径为        899.6nm,比表面积为8.56m。/g,孑L隙率为8O。 0.008 0.007  0006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.00l 0.000—  0O0l     图1膨胀珍珠岩的孔径分布图        Fig.1Poresizedistributionofexpandedperlite      1。2最低共熔物的制备  ’          根据VantHoff方程计算低共熔物的组成嘲,按            低共熔物组成的质量比64.4:35.6称取一定质量的             棕榈酸与十六醇混合,在60 ̄C的水浴中加热直至完全           融化,然后均匀搅拌6~8h后冷却,即获得棕榈酸与十        — 六醇的低共熔物有机复合相变材料(PAHD)。      1.3定形相变材料的制备          —      采用真空浸渗的方法将PAHD的低共熔物与                    颗粒型的膨胀珍珠岩进行复合。首先,将膨胀珍        ℃         珠岩置人马弗炉中500烘烤1h,去除其表面的可                   燃性杂质以及少量的水分。然后,称取一定质量的                     珍珠岩颗粒与固态的相变材料一起放人真空容器                  中。先用真空泵将其中的空气抽出,真空度为   —     0.09MPa,然后再加热使PAHD融化,并保持真空       —     2h浸泡,在珍珠岩中进行PAHD相变材料的物理浸     ℃              渗过程,最后在60下干燥得到复合定形相变材料— (PAHD/EP)。    1.4测试与表征          用Quanta200环境扫描电子显微镜(ESEM)观                测样品的形貌;用TAQ10DSC差示扫描量热仪对   ℃ 样品进行热性能分析,升温速率为5/rain。           利用Agilent34970A仪器,采用已经矫正过的K        —  — 型热电偶测试样品PAHD/EP和PAHD/EP/G—             (PAHD/EP中加入质量分数为10石墨)的融化和            凝固过程温度曲线。样品被放置于圆柱形间壁换热容             器中,加入量为2~3g。换热介质为自来水,加热温度 ℃    ℃  为6O,冷却温度为20。     2结果与讨论    2.1工艺条件的选择            — 在真空浸渗的过程中,浸渗时问、浸渗温度对PA             HD在珍珠岩中的浸渗量都有较大的影响。图2,3分   别是实验获得的这两个因素对浸渗量的影响关系图。            实验考察浸渗时间对浸渗量的影响实验条件是浸渗温 ℃         度6O,烘热处理40rain;浸渗温度对浸渗量的影响实          验条件是浸渗时间20h,烘热处理40min。               — 由图2可以看出,随着浸渗时间的增加,PAHD             在珍珠岩中的浸渗量逐渐增大,但在9h后基本保持不               变,稳定在70.0左右。这是因为膨胀珍珠岩内部的            — 孔容量是有一定限制的,当孔隙全部被熔融的PAHD      占据后,多余的PAHD也就无法进入到膨胀珍珠岩              — 的内部。由图3可以看出,随着浸渗温度的增加,PA              HD在膨胀珍珠岩中的浸渗量逐渐增大。但在温度达 ℃              到65后增大的幅度减缓,直至变化很小。这是因为    温度的提高加速了分子的热运动,降低了其黏度,使得                     十六醇/棕榈酸更容易进入膨胀珍珠岩的孔隙当中。 % 一o 量  质m 一    分.善一一 成Ⅲ  一一    学mlC “ 化    珠._一o~0    珍_至一    定形相变储能建筑材料的制备与热性能研究 57                  且有机物分子与其他分子问存在着相互作用,从而表                 现出来的热力学性质与其在自由堆积时不同吲。并                 且,由于膨胀珍珠岩的加入使材料的整体传热性能有    所降低,在传热的过程中表现为热的滞后性,也在一定        程度上对相变温度有影响。 b0● ≥ ≥   0  Z    —  图7PA-HD和PAHD/EP的DSC曲线     —  — Fig.7DSCcurvesofPAHDandPAHD/EP     2.4传热性能分析                 由于膨胀珍珠岩的隔热性能良好,在建筑中多          用于制作保温层和绝热防火材料。所以,应通过向                     膨胀珍珠岩基定形相变材料中添加导热系数较高的     材料以提高其传热性能。本工作采用导热系数较高           —   的石墨为添加剂对定形相变材料PAHD/EP进行改                  — 性,制备出添加了10石墨的复合相变材料PA HD/EP/G。     — — 图8和图9分别是PAHD/EP和PAHD/EP/G               在升温和降温过程中的温度随时间变化情况图。从图            8可以看出,二者的相变过程的起点都发生在42.6"C,           — 与DSC测得的数据吻合。在熔化的过程中,PAHD/             EP/G到达相变起点的时间为55s,到达相变终点的时       —  问为270s,在435s时达到预设温度;PAHD/EP到达             相变起点的时间为85s,到达相变终点的时间为380s,               则在485s后才达到预设温度。添加10的石墨后达                到相变起点的时间提前了30s,到达预设温度的时间              — 提前了50s。从图9可以看出,在凝固的过程中,PA          HD/EP/G到达相变起点的时间为80s,到达相变终点             — 的时间为275s,在487s时最先达到预设温度;PA            HD/EP到达相变起点的时间为97s,到达相变终点的                时间为385s,则在585s后才达到预设温度。添加                   10的石墨后达到相变起点的时间提前了17s,到达             相变终点的时间提前了110s,到达预设温度的时间提      —  — 前了98s。由此可见,PAHD/EP/G比PAHD/EP                 — 的导热性能明显增强,添加1O的石墨提高了PA    HD/EP的传热能力。 p\   0  厶 g   —   图8PAHD/EP和PAHD/EP/G的融化温度曲线       Fig.8Meltingtemperaturecurvesof——  —— PAHD/EPandPAHD/EP/G     —  图9PAHD/EP和PAHD/EP/G的凝固温度曲线       Fig.9Solidificationtemperaturecurvesof——  —— PAHD/EPandPAHD/EP/G    3结论               (1)通过真空浸渗的方法将有机相变材料十六醇            和棕榈酸的低共融混合物填充到膨胀珍珠岩的孔道结              — 构中,制备出一种新型的定形复合相变材料PAHD/ EP。     —        (2)相变材料在PAHD/EP中的质量分数可达         ℃     58.0,复合相变材料的熔点为41.49,相变焓值为            122.9Jig。该材料具有良好的熔融特性,且不会与基      体发生化学反应。     —      (3)在复合材料PAHD/EP中添加10%石墨制   —         备出的PAHD/EP/G导热性能显著增强。制备的定                 形复合相变材料可以应用于建筑储能领域,用以调节     能源的合理利用。   参考文献           [11MOHAMMEDMF,AMARMK,SIDDIQUEAKR,eta1.A        reviewonphasechangeenergystorage:materialsandapplications   —  EJ].EnergyConversionandManagement,2004,45(910):—   15971615.       E2]PASUPATHYA,VELRAJR,SEENIRAJRV.Phasechange∞ ∞     "如加  OO    0044   p\o_臣04IIIQ 58   材料工程/2010年6期—        materialbasedbuildingarchitectureforthermalmanagementin      residentialandcommercialestablishments[J_.Renewableand  —  SustainableEnergyReviews,2008,2(1):3964.    [3]马保国,蹇守卫,金磊,等.无机/相变定型储能材料的制备研究进  展EJ3.材料导报,2008,22(12):36~43.        [4]ZHANGYP,LINKP,YANGR,eta1.Preparation,thermal    ——    —— performanceandapplicationofshapestabilizedPCMinenergyef   — ficientbuildings[J].EnergyandBuildings,2006,38(1o):1262 1269.            E53AHMETS.Eutecticmixturesofsomefattyacidsforlatentheat       storage:Thermalpropertiesandthermalreliabilitywithrespect       tothermalcycling[J].EnergyConversionandManagement, — 2006,47(9一lO):12071221.      [63张东,周剑敏,吴科如.颗粒型相变储能复合材料[J].复合材料 [7] — 学报,2004,21(5):103107.         SCARPAF,MILAN()G.Theroleofadsorptionandphasechange        phenomenainthethermophysicalcharacterizationofmoistporous    materials[J1.InternationalJournalofThermophysics,2002,23—  (4):10331046.   基金项目:山东省科技计划资助项目(2006GG2203027);山东省教育厅   科技计划资助项目(J06106)  —   —— 收稿日期:20090802;修订日期:20100310        作者简介:马烽(1967),男,副教授,博士,从事多相传热与化工新材     料方面研究工作,联系地址:山东省济南市西部新城大学科技园山东轻  工业学院化学工程学院(250353),Email:fengmachen@sina.corn                            潦来米来米来米米睾米来拳米拳米米米来来米睾米米米米米米米爿÷         米米米米米来米米米{I÷ 米{I÷          来米栗米豢米米米来   (上接第53页)  糙接触造成的;高载下以剥层失效为主,其主要与交变             载荷作用下涂层内部和涂层/基体界面较大的剪切应  力有关。 参考文献     [1]徐滨士.再制造工程基础及应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学 出版社,2005.        [2]刘家浚.材料磨损原理及耐磨性[M].北京:清华大学出版社, 1993.        [31关耀辉,徐杨,郑仲瑜,等.等离子喷涂纳米FeS涂层的摩擦磨      损性能研究[J].摩擦学学报,2006,26(4):320324        [4]姚舜晖,苏演良,高文显,等.纳米碳化钨增强镍基合金热喷涂             涂层的摩擦磨损性能研究[J].摩擦学学报,2008,28(1):—  3338.        [5]YOSHIDAA,FUUJIIM.Influenceofsoftsurfacemodification        onrollingcontactfatiguestrengthofmachineelement口].Tri    bologyInternational,2002,35(12):837847.         [6]AHMEDR.ContactfatiguefailuremodesofHVOFcoatings[J].   Wear,2002,253(3):473~487.        [73AHMEDR,HADFIELDM.Rollingcontactfatigueperformance      ofdetonationguncoatedelements[J].TribologyInternational,—  1997,30:129137.          [83AHMEDR,HADFIEIDM.Failuremodesofplasmasprayed      WC-15Cocoatedrollingelements[J].Wear,1999,230:—  3955.            [93ZHANGxC,XUBS,XUANFZ,eta1.Rollingcontactfatigue  —    behaviorofplasmasprayedCrC~NiCrcermetcoatings[J].Wear,—  2008,265:18751883.           [1OlZHANGXC,XUBS,XUANFz,eta1.Fatigueresistance      —— ——  — andfailuremechanismsofplasmasprayedCrCNiCrcermetcoat       ingsinrollingcontact[J].InternationalJournalofFatigue,—  2009,31:906915.[¨           ]ZHANGXc,XUBS,XUANFZ,eta1.Fatigueresistanceof— —      plasmasprayedCrCNiCrcermetcoatingsinrollingcontact[J].  —  AppledSurfaceScience,2008,254:37343744.         [12]FUJIIM,YOSHIDAA,MAJB,eta1.Rollingcontactfatigue          ofaluminaceramicssprayedonsteelrollerunderpurerolling   contactcondition[J].TribologyInternational,2006,39(9): 856一一862.           [13]FuJIIM,MAJB,Y0sHIDAA,eta1.Influenceofcoating         thicknessonrollingcontactfatigueofaluminaceramicsthermal-      lysprayedonsteelroller[J].TribologyInternational,2006,39  (11):1447一l453.           [14]ZHUS,XUBS,YAOJK.Highqualityceramiccoatings        sprayedbyhighefficiencyhypersonicplasmasprayinggun[J].    — —  MaterialScienceForum,2005,475479:39813984.               [15]吴子健.热喷涂技术与应用[M].北京:机械工业出版社, 2005.     [161张乎.热喷涂材料[M].北京:国防工业出版社,2006.     [17]楚建新.热喷涂镍铝放热反应[J].粉末冶金技术,1987,5(3):   147151.        Ⅲ   [18]HERTZH.OnthecontactofelasticsolidsfJ].JReineAngew —  Math,1882,92:156171.     — [19]J()HNSONKL.ContactMechanics[M].Cambridge:Cam   bridgeUniversityPress,1992.      [2O]HO1MBERGK,MATTHEWSA,RONKAINENH.Coatings      tribologycontactmechanismsandsurfacedesign[J].Tribology— —  International,1998,31(13):l07120.         [21]SUHNP.Overviewofdelaminationtheoryofwear[J].Wear,  —  1977,44:116.             基金项目:国家863课题(2007AA04Z408);国家自然科学基金  (50975285,50735006);国家科技支撑计划(2008BAK42B03)  —   — 收稿日期:20090403;修订日期:20091220     作者简介:朴钟宇(1982一),男,博士研究生,现从事装备再制造寿命       预测研究,联系地址:装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点      实验室(100072),Email:plaozy@yahoo.corn.cn
陌南尘
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