改善定形相变材料导热性能的实验研究

王永双　王荣　彭维

【摘 要】定形相变材料的发展给予了建筑节能和储能领域新的出路，相变材料的导热性能是储能研究的关键问题之一，现有相变材料导热系数较低，经济有效地改善定性相变材料的导热性能是值得深入研究的热点问题。本文通过掺混不同粒径的沙子、土壤，实验结果表明所采取的掺混方法均在不同程度上明显的改善了相变材料的导热性能。

【关键词】相变材料；导热性能；实验研究

中图分类号： TB33 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）25-0148-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.068

【Abstract】The development of shape-stabilized phase change materials has given a new outlet to the field of building energy conservation and energy storage. The thermal conductivity of phase change materials is one of the key problems in energy storage research. In this paper， sand and soil with different particle sizes are mixed， and the experimental results show that the mixing methods adopted have significantly improved the thermal conductivity of the phase change materials to different degrees.

【Key words】Phase change materials；Thermal conductivity；Experimental study

0 引言

相變材料（PCM）主要是利用相变潜热储存能量（包括冷和热）材料，定形相变材料是利用封装技术将相变材料封装于不同粒径和结构的材料中，发生相变时材料的体积不发生变化，也不存在相变材料泄露等问题，并且储能密度大，温度稳定。鉴于上述显著优点，定形相变材料在建筑节能领域，尤其是被动式节能方面具有广阔的应用前景，为营造舒适的人居环境提供技术支撑。但是，目前的定形相变材料由于相变材料本身和封装材料的性质，决定了制成的相变材料导热系数很低，一般在0.1～0.3W·m-1·k-1[1]。

相变材料导热系数低，将会导致能量在蓄存和提取时需要的时间长，过程缓慢，提高蓄能和释能的速率是现阶段研究的重点。综合现有文献，目前的采取的方法主要是往蓄能材料中添加金属颗粒或金属丝（金、银、铜等）、石墨烯、碳纳米管等等，这些方法虽然可以在不同程度上提高定形相变材料的导热系数，但是，具有共同的特点就是对添加材料要求高，而且价格相对较高。

针对以上问题，本研究使用沙石、土壤等廉价易得的材料添加进入定形相变材料，力求以最低的成本去更好的改善定形相变材料的导热性能。

1 实验材料

针对夏季夜间蓄冷情况，本研究选用德国RUBITHERM的PX系列材料[2]，相变材料的相变温度区间为：2～5℃，蓄能密度110KJ/Kg，比热容2KJ/（Kg·K），热传导率0.2W/（m*K）。该相变材料是粉末状相变材料，由有机相变材料和支撑材料复合制成，相变材料含量为70%，粒径为250微米。该定形相变材料性能如下：（1）储能密度高；（2）无明显过冷现象，无毒无污染；（3）材料相变循环稳定，使用年限长。

2 实验方法

本实验研究选用最常见的沙子和黏土作为与定形相变材料掺混的辅助材料，为研究不同粒径不同导热系数材料对相变材料导热系数的改善情况，基于颗粒为250μm直径的相变材料，选择粒径为10μm～3mm粘土、沙子，使用标准筛分成粒径范围为：1000μm～2000μm，600μm～1000μm，450μm～600μm，355μm～450μm，200μm～355μm，100μm～200μm，50μm～100μm，将相变材料与沙子、粘土分别按照9：1，7：3，5：5的掺混比掺混均匀，配成样本，编号记录。

3 实验装置

3.1 试验装置介绍

将配置好的不同掺混比例的材料放入自制的套管式导热性能测试试验台的测试单元中，测试单元如图1所示。其中，冷媒管路提供冷量，蓄能单元温度几乎不发生改变时，认为蓄能完成，待中心温度测点恢复初始状态时，停止测试，全程记录实验数据。

3.2 实验测试用传感器的标定

本实验采用NTC传感器、采集模块以及计算机组成的测量系统对各关键点的温度进行测量，封装好的NTC传感器精度高、防水、耐用。将NTC传感器、采集模块以及计算机连接完成后，对传感器进行标定，从10只传感器中选出8只传感器。8只传感器的测量误差如图2所示，可以看到测试系统的误差在±0.3℃之间，并且4个传感器正偏差、4个传感器负偏差，误差随机分布。挑选2号、4号、6号、7号和8号传感器作为实验台的测试用传感器，以求实际测量中的误差尽可能小[3]。

4 实验结果及分析

实验首先对纯相变材料进行测试，如图3和图4所示，纯PX4相变材料蓄冷和释冷过程中，在2～6℃范围内发生相变，温度上升缓慢。在蓄冷和释冷起始阶段和末尾阶段，相变材料的温度降低和升高趋势明显，此阶段已经变成显热的蓄存和释放阶段。图3中环境温度的波动是为了给压缩机和冷凝器提供一个更好的运行条件，在冬季运行时打开窗户造成的。

理论上，可以将颗粒物近似看成球体，传热有三种基本方式，即热传导、热对流和热辐射，混合材料即可理解为大大小小球状颗粒的堆积，它们之间的热传递三种方式都有，对流和辐射存在于颗粒与颗粒之间的空隙，而在蓄能容器中，空气间隙中的空气几乎不流动，可以忽略对流的影响。由于热辐射主要受温度的影响，追求的小温差甚至是无温差换热，温差引起的热辐射也暂时忽略。故而导热是主要的形式。根据傅里叶定律[4]，在某一方向的热流量可以用下式来表示：

式中：Q——热流量，单位为W；K——导热系数，W/m·K；A——传热面积，单位为m2；T——温度，单位为K；x——在导热面上的坐标，单位为m。

从上式分析可以看出，当单一物质的导热系数确定，温度场也一定的情况下，只有改变接触面积，才能增大热流量。对于相变材料、砂石及粘土材料均为颗粒物质，经过掺混不但改变了导热系数，也改善了接触面积。选取5：5掺混为例进行分析，如图5所示，可以看出粘土、沙子等材料明显的改善了纯相变材料的导热性能，在同一时刻，温度明显升高。但是，在提高导热系数的同时，也降低了储能密度，这是需要进一步考虑和解决的问题。

5 结论与展望

通过实验结果的研究和分析，可以得出如下结论：

（1）本文采用的方法经济有效，掺混沙子、土壤有效的改善了定形相变材料的导热性能。

（2）同一粒径不同材料的同一掺混配比下，掺混材料导热系数越大，对定形相变材料导热性能的改善程度越明显。

（3）不同粒径的掺混材料改善定形相变材料导热性能的能力有差别，造成差别的原因和机理有待进一步研究。

（4）掺混其他材料在提高导热系数的同时会降低相变材料的蓄能密度，如何从经济和技术角度平衡蓄能量和蓄能释能速度的关系是需要关注的问题。

致谢

本研究由新疆大学2017年度大学生创新训练计划项目“改善定形相变材料导热性能的实验研究”（项目编号：201710755024）提供资助，在此表示感谢。

【参考文献】

[1]Alva，G.，et al.An overview of thermal energy storage systems[J].Energy2018（144）：341-378.

[2]http：//www.ruhrtech.com/product_content.aspx？id=4.

[3]方修睦.建筑环境测试技术.第2版[M].北京：中国建筑工业出版社.2008.

[4]赵镇南.传热学.第2版[M].北京：高等教育出版社.2008.