一種相變材料的理論

一種相變材料的理論研究摘要：介紹了相變材料的種類和和性質(zhì)，闡述了相變材料的選取原則，理論計算出癸酸和月桂酸的混合物作為相變材料的配比。用施羅德公式理論證明該相變材料的可行性。關(guān)鍵字：相變材料施羅德公式差示掃描量熱法引言能源是工業(yè)生產(chǎn)的命脈，是經(jīng)濟發(fā)展、社會進步、人類生存發(fā)展的基礎。同樣，環(huán)境則是人類賴以生存和發(fā)展的必要條件。隨著科學技術(shù)的進步與發(fā)展，人們對能源的需求日益增加，傳統(tǒng)的不可再生能源越來越少。而對不可再生能源過量開采和浪費，不但造成能源的供給漸趨緊張，而且也加劇了環(huán)境的惡化。目前全球有20億人用不上電，全球礦物能源消耗量在1992年至1999年間增加了10%；1965至1998年，全球二氧化碳排放量翻了一番[1]。同時，在炎熱的夏季，空調(diào)已成為建筑耗能的主體。有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，全國每年空調(diào)用掉的能耗需要一座三峽水電站的全部發(fā)電量。因此，如何開發(fā)出新的綠色能源及降低能耗己經(jīng)成為我國乃至世界的一個非常緊迫的課題。相變儲能材料(PhaseChangeMaterial，簡稱PCM))的出現(xiàn)為提高建筑物舒適度、降低能耗和改善對環(huán)境負面影響提供了一條有效途徑。所謂相變儲能是指物質(zhì)在相變化過程中吸收或釋放能量。相變的過程是一個等溫或近似等溫，并伴有大量的能量吸收或釋放過程，正是這一特性構(gòu)成了相變儲能材料具有廣泛應用的理論基礎。在采暖空調(diào)領域，由于人們對室內(nèi)環(huán)境的舒適度要求越來越高，相應的建筑能耗（包括空調(diào)采暖能耗）也隨之增高，造成能源消耗過快，環(huán)境污染加劇。而人們利用采暖或空調(diào)的目的就是要維持室內(nèi)空氣溫度及提高室內(nèi)的舒適度。如果將相變材料用于建筑材料或其它建筑產(chǎn)品中，將起到良好的作用。1相變材料的性質(zhì)和種類：從化學成分分類，可分為無機相變材料和有機相變材料。可作無機相變材料的無機物包括水合無機鹽、無機鹽、金屬和合金，其中只有無機水合鹽屬于中、低溫相變儲能材料。與有機相變材料相比其導熱系數(shù)、融解熱、密度和儲熱密度均較大、化學性質(zhì)一般呈中性、價格便宜。用于供暖空調(diào)系統(tǒng)及建筑維護結(jié)構(gòu)的結(jié)晶水合鹽類相變材料包括堿金屬和堿土金屬的鹵化鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、醋酸鹽等鹽類水合物。有機相變材料有石蠟、脂酸類以及某些醇類、芳香烴類化合物等。這里著重介紹在建筑節(jié)能中常用的石蠟類和脂酸類有機物。石蠟主要由直鏈烷烴混合而成，分子式為CnH2n+2。應用于相變墻板中的石蠟主要是碳原子數(shù)在15-24之間的烷烴混合物。如正十六烷和正十八烷。脂酸類有機物的分子式為CnH2nO2。相變溫度在20℃—90℃之間，相變潛熱與石蠟差不多。應用于相變墻板中的脂酸類有機物碳原子數(shù)主要在10-18之間。如癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、軟脂酸、硬脂酸等。多元醇又屬于固—固相變儲能材料。其相變溫度在100—300℃區(qū)間，且相變過程中不生成液態(tài)。通常應用的多元醇類相變材料為PE（季戊四醇）、PG（三羥基甲基乙烷）、NPG（新戊二醇）等[2]。2應用于相變墻板的相變材料的選取考慮到人居建筑舒適性的要求，可應用于相變墻板的相變材料需主要滿足以下條件：①PCM的相變溫度必須在室內(nèi)舒適溫度范圍附近，如冬季室內(nèi)溫度在18℃—22℃左右，夏季室內(nèi)溫度在22℃—26℃左右，而PCM的相轉(zhuǎn)變溫度應在此范圍內(nèi)。②PCM不能從墻板中泄露、長期循環(huán)不變質(zhì)、與建材要相容。③必須在恒定溫度下融化及固化，即必須是可逆相變，不發(fā)生過冷現(xiàn)象（或過冷度很小）。④PCM必須要容易與建材結(jié)合。⑤無毒、對人體無腐蝕。⑥不易燃。⑦體積膨脹率小。⑧低蒸汽壓。⑨滿足經(jīng)濟性等。從上文所提及到的相變材料中可以看出只有石蠟和脂酸類有機物滿足該條件.雖然石蠟類相變材料擁有較高的融解熱和穩(wěn)定的化學性質(zhì)，是應用于建筑墻體中的相變材料的首選，但其價格極其昂貴，因而失去了研究和使用的意義。脂酸類相變材料的特性與石蠟類相近，且其價格低廉，可應用于相變墻板的使用中。經(jīng)研究測試，發(fā)現(xiàn)癸酸—肉豆蔻酸和癸酸—月桂酸的有機混合物的熔點、融解熱比較合適，熔化溫度可以通過改變混合物中各化合物的組分來改變。3對該相變材料的可行性的理論研究3.1對該癸酸、月桂酸相變溫度和相變潛熱的DSC測試差示掃描量熱法（DifferentialScanningCalorimetry，簡稱DSC）是在程序溫度控制下測量物質(zhì)與參比物之間單位時間的能量差隨溫度變化的一種技術(shù)。原理和差熱分析基本相似，所不同的是利用了裝置在試樣和參比物容器下面的兩組補償加熱絲。當試樣在加熱過程中，由于熱反應而出現(xiàn)溫差△T時，通過差熱放大和差動熱量補償使流入補償絲的電流發(fā)生變化。當試樣吸熱時，補償使試樣一邊的電流立即增大。反之，在試樣放熱時則使參比物一邊的電流增大，直至兩邊熱量平衡，溫差△T消失為止。即，試樣在熱反應時發(fā)生的熱量變化，由于及時輸入電功率而得到補充。將實驗選取的癸酸(C10H20O2)和月桂酸(C12H24O2)做DSC測試。，所用的癸酸和月桂酸由中國醫(yī)藥（集團）上?；瘜W試劑公司生產(chǎn)，化學純。癸酸技術(shù)參數(shù)標定含量高于98.5%，凝固點≥29℃。月桂酸技術(shù)參數(shù)標定含量高于99.8%，熔點在43—44℃。DSC以0.2℃/min的掃描速率紀錄，測試所用相變材料樣品的重量大約是10mg。通過癸酸和月桂酸的DSC圖（左側(cè)），可知純化合物癸酸的熔點是=30.638℃，即相變溫度為30.638℃，峰值溫度為31.489℃，熔化潛熱（）為155.457J/g，即相變焓值為155.457J/g。由右側(cè)圖可知純化合物月桂酸的熔點是=42.906℃，即相變溫度為42.906℃，熔化潛熱（）為175.832J/g，，即相變焓值為175.832J/g。由此可見癸酸、月桂酸都有較高的相變潛熱，是很好的儲能材料，把這兩種物質(zhì)按照一定比例混合后，如能使混合物的相變溫度在室內(nèi)舒適度范圍內(nèi)，并且具有較高的相變潛熱，則可作為相變墻板的材質(zhì)。脂酸類任一種純化合物的熔點都高于我們要求的相變溫度（空調(diào)室內(nèi)設計溫度范圍內(nèi)），所以只有將它們混合才可能使混合后的混合物相變溫度在我們要求的范圍內(nèi)。即將癸酸與月桂酸混合，混合看成理想溶液模型，混合物的熔化溫度總是比純化合物的熔化溫度低。兩組分體系混合能達到一最低的熔點，稱為低共熔點。若將具有低共熔點的組成的溶液冷卻，在低共熔點全部凝固。該低共熔點為混合后相變材料的計算相變溫度。3.2癸酸與月桂酸混合配比的確定通過對由癸酸—月桂酸形成的相變材料的熔點、熔解熱的理論計算，選出合適的百分比，配出相變材料，進行測試。決3.2悟1口核癸酸與月濕桂酸低共櫻熔點及混柳合配比的羊理論計算鏟通過施羅穗德農(nóng)（角Schr水ode蕩r崖）公式計餡算可得到晌不同癸酸敗與月桂酸皺混合比對灶應的不同行的相變溫院度。低共羅熔溫度時略呈三相平頁衡役[3健]歲：礎銜A叔（欣s芳）廚?謙AB衰2惡(s)吊果?悼溶鵝液艙L評在定溫定譯壓時，為草使溶匪質(zhì)取A純?nèi)苡谌芷苿┎臖腰所形成的泉溶液和純徹溶壟質(zhì)劃A戶處于平衡缸，舊A蛛在兩相中碼的化學位悔必須相等忘。即矛（叛3-柳1愛）均式中心是純固體牽溶床質(zhì)怎A紗的化學位勺（摩爾吉帖布斯能）汗。在平衡瞎時用飽和惕溶液中溶忽質(zhì)鍬A緣的摩爾分神數(shù)表示溶糠解度。街因為是理性想溶液模忍型，所以圾因卷此邪監(jiān)（啞3-壓2習）脾對式叫（萍1-廉2舒）兩邊取背全微分，灑（鵝3-花3百）西當壓力一疾定時，責（綱3-斃4滲）穗式中：且—京—閃混合物主勻要成堡分閑A翻的摩爾分逆數(shù)；存—冶—谷純化合施物崇A撤的熔化潛獎熱擦，逃J/mo疼l扯；色—荷—叛純化合潤物鳳A易的熔化溫罰度賺，談K牢；姑—釣—厲含有化合桃物搖A罷的混合物趣的熔化溫傲度累，塊K扇；管—檔—良氣體常數(shù)呈，拿8.31燈5J/鑒kmo眼l筋。蠶由于脂酸海的熔化點譜與其純度巖有關(guān)，因毯純度低可餡能造成與尾文獻值的六差值高艘達趴3啦℃模，因此選盡擇的相變漆材料首先搬要礦用趕DS兆C喊方法測量怪得到的純墾酸的熔化稅溫度和熔保化熱。利零用測得的擠值（霸，欄）和方程喊（甘3-勤4專）來計算色二元混合奉物的低共雖熔點（，鉛）。竟按照施羅滾德公式計爛算出癸酸貓與月桂酸左混合物的伐低共融溫吃度及對應壤的混合百托分比。從等以遇上鋤DS響C的測試可知身，癸酸相待變溫度幟為圍30.6屬3籮8央℃宅，月桂酸夠為貸42.9己0醬6誘℃臨。癸酸的郊相變焓值燦為懇155.可457J步/船g右，月桂酸羨為喜175.拆832J解/規(guī)g壘。首先考磁慮癸酸為右溶劑，月地桂酸為溶巴質(zhì)。以飽洋和溶液的失摩爾分數(shù)紫表示的月洗桂酸的溶墻解度可如燈下求出：濫（糧3真－輛5疼）矮其次，考府慮月桂酸給為溶劑，姿癸酸為溶那質(zhì)的情況園，癸酸的示溶解度為怨：墨（兼3是－狼6渡）急上圖是利底用公襲式銷3堅－蜘5赴、氣3吊－醋6耕繪得。右圖邊的曲線迎是月桂酸段的溶解度詞曲線，也戒可以把它河看為月桂昏酸的凝固線點降低曲振線。左邊顧的曲線是束癸酸的溶例解度曲線塘（或凝固清點降低曲出線）。兩族條曲線牛在勁19.谷09廢片℃析，身0.3搜4承處相交。據(jù)這就是癸將酸任—還月桂酸體定系的低共束熔點?？缮持餂]酸厭—如月桂酸混翼合物在比厘例到為位66報%墊：茫34裝%毅附近時可燦達到最低艇溶解溫度股為者19.0鄭9仰℃鵲，該溫度島也在室內(nèi)駝設計溫度堅內(nèi)，符合檢要求珠。役瞎3.3踩公該混合物潑相變潛熱矩的理論計常算思根據(jù)文訊獻插[4銳]疏對（準）涼共晶系的丹熔解熱進暮行了分析飯預測，得棟到混合物置熔解熱的欲計算經(jīng)驗紡公式：慰（贏3-飲7芒）篩式中：頓—含—寺第種組分指的重量百貴分比；得—默—乒第熄種組分的齡融解熱；甚—雨—刃第且種組分的腹融點靜—夜—喜第鞠種組分液財態(tài)的比熱較—郊—匆第牛種組分固沒態(tài)的比熱液將試得的柿癸酸相變寺溫度減30.6朽3顫8見℃仇，相變潛拌熱蠻155.兼457J超/外g爺和月桂酸服相變溫度脹42.9藍0妥6素℃租，相變潛蓋熱只175.柔832J冰/炭g野以及混合歉物的低共步熔溫度鬧19.0戚9三℃齡代入此公專式，可得油到宇66予%烈癸須酸貞—劫34害%姐月桂酸所裂組成的混趨合物的相懼變潛熱擇為演153.絲979J疤/乞g摧。可見癸第酸控—溉月桂酸按哨一定比例竭混合后生姿成的混合梨物具有較勵高的熔解肝熱，可用抗于冬季空梯調(diào)房間的豎相變墻板圣。結(jié)論：例通過施羅旨德公式的扭理論計算利，可知用納癸酸和月刃桂酸按重屑量比巡為粉6愚6害：乏3職4懸混合得到運的相變材捆料具有較謠高的融解杏熱，且相閉變溫度在冷室內(nèi)空調(diào)鉆設計溫度拒范圍內(nèi)，符故可以作箏為相變儲等能的材料迅。參考文獻穗[1]議敬周大地，粉韓文孩科懼.蛙中國能源扁問題研構(gòu)究處.認慣