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相變材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法

發(fā)表時(shí)間:2024-04-18

        儲(chǔ)熱系統(tǒng)按照儲(chǔ)熱方式不同可以分為顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱三類,相變材料(PCM)是利用相變過程中吸收或釋放的熱量來進(jìn)行潛熱儲(chǔ)能的物質(zhì)。與顯熱儲(chǔ)能材料相比,PCM具有儲(chǔ)能密度大,效率高以及近似恒定溫度下吸熱與放熱等優(yōu)點(diǎn),因此可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域,如太陽(yáng)能利用、廢熱回收、智能空調(diào)建筑物、調(diào)溫調(diào)濕、工程保溫材料、醫(yī)療保健和紡織行業(yè)等等。但化學(xué)反應(yīng)熱蓄熱雖然具有儲(chǔ)能密度大的特點(diǎn),但應(yīng)用技術(shù)和工藝太復(fù)雜,目前只能在太陽(yáng)能領(lǐng)域受重視,離實(shí)際的應(yīng)用還很遠(yuǎn),因此PCM成為了熱能儲(chǔ)存的主要利用方式。

        相變材料具有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)的能力。相變材料主要包括無機(jī)PCM、有機(jī)PCM和復(fù)合PCM三類。其中,無機(jī)類PCM主要有結(jié)晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類等;有機(jī)類PCM主要包括石蠟、醋酸和其他有機(jī)物。由于它的應(yīng)用十分廣泛,目前已成為一種日益受到重視的新材料。導(dǎo)熱系數(shù)的大小直接關(guān)系到相變儲(chǔ)能裝置的蓄能和釋放功率。因此,采取必要措施強(qiáng)化相變材料導(dǎo)熱性能,并采用合適技術(shù)手段對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試,已經(jīng)成為相變儲(chǔ)能技術(shù)的必要研究環(huán)節(jié)。

        加拿大C-Therm公司擁有世界領(lǐng)先的導(dǎo)熱系數(shù)儀Trident。Trident采用改良瞬態(tài)平面熱源法(Modified Transient Plane Source, “MTPS”),可直接對(duì)固體、液體、粉末和膠體等各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)進(jìn)行快速、精確地測(cè)定。TCi的應(yīng)用領(lǐng)域包括聚合物材料、相變材料、粉末材料、熱界面材料、納米材料、傳熱流體、隔熱材料、熱電材料、含能材料、建筑材料、地質(zhì)材料和功能性織物等。

        Trident可用于實(shí)驗(yàn)室研發(fā),質(zhì)檢控制及生產(chǎn)制造過程,并可非常方便地同控溫箱、高壓倉(cāng)和手套箱等其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備聯(lián)合使用,滿足用戶對(duì)各種測(cè)試環(huán)境的不同需求。 除MTPS探頭外,Trident另有瞬態(tài)熱線法(Transient Line Source)探頭可選,用于測(cè)試熔融高分子、土壤、瀝青、油、蠟等材料。

導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試范圍:0~500W/mK

廣泛溫度范圍:-50~200℃,可擴(kuò)展至500

無需樣品制備,無損測(cè)試

測(cè)試時(shí)間快速:0.8~2.5

適用范圍:可測(cè)試固體,液體,粉體,膠體

最小測(cè)試樣品尺寸:0.71" (18mm) 直徑

最大測(cè)試樣品尺寸:不限

最小測(cè)試樣品厚度:通常 0.02" (0.5mm), 基于測(cè)試物體的熱傳導(dǎo)性

標(biāo)準(zhǔn):ASTM D7984ASTM D5334、ASTM D5930IEEE 442-1981


· 導(dǎo)熱系數(shù)儀在相變材料上的應(yīng)用

        導(dǎo)熱性能是評(píng)價(jià)相變材料好壞的關(guān)鍵影響因素。目前改善相變材料導(dǎo)熱性能的方法是,在相變材料中加入金屬、陶瓷材料和熱解石墨等導(dǎo)熱系數(shù)高的填料,填料通常有以下結(jié)構(gòu)形式:粉末、纖維、肋片及蜂窩。利用兩種或者三種相變溫度不同的材料按照相變溫度高低順序進(jìn)行放置,可得到合適的相變溫度點(diǎn),同時(shí)加快導(dǎo)熱速度。

一、石墨片對(duì)相變材料導(dǎo)熱性能影響

韓國(guó)崇實(shí)大學(xué)的Sumin Kim教授[1]研究了膨脹納米石墨片對(duì)相變材料/硅藻土復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。

復(fù)合材料:相變材料(十六烷、十八烷、石蠟)+硅藻土

添加材料:膨脹納米石墨片(xGnP

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圖中純相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.32、0.180.23W/mkPCM/硅藻土復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.39、0.25、0.33W/mk,可知,將相變材料混入硅藻土結(jié)構(gòu)中,可提高相變材料導(dǎo)熱系數(shù)。PCM/硅藻土復(fù)合材料+xGnP的導(dǎo)熱系數(shù)為0.42、0.350.41W/mk,添加石墨片后,復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)也相應(yīng)增加。因此石墨片可作為添加材料提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

二、新型無機(jī)鈣基相變材料導(dǎo)熱性能

天津科技大學(xué)鄧天龍教授[2]研究了室溫條件下新型無機(jī)鈣基相變材料導(dǎo)熱性能。

材料:水(47.1wt%)、氯化鈣(47.7wt%)、 硝酸鉀(2wt%)、溴化鉀(2wt% )和氯化鍶(1.2wt%

固液相變溫度:21.4 °C

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鄧教授測(cè)試了10-40℃溫度下PCM-Ca材料的導(dǎo)熱系數(shù)。固相下PCM-Ca材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.3512 W/mk,液相下PCM-Ca材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.5221W/mk,在相變過程中,材料的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到1.3637W/mkPCM-Ca材料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù),適用于作為建筑節(jié)能材料。

三、水泥基復(fù)合儲(chǔ)熱材料導(dǎo)熱性能

斯威本科技大學(xué)的Sayanthan Ramakrishnan教授[3]將相變材料(石蠟和膨脹珍珠巖)添加到水泥砂漿中,制備成水泥基復(fù)合儲(chǔ)熱材料,研究其在建筑材料中的保溫性能。

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隨著相變材料含量的增加,復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低。與普通水泥砂漿相比,TESC-20, TESC-40, TESC-60TESC-80 的導(dǎo)熱系數(shù)降低15.8%, 31.6%, 52.6% 65.8%。水泥基復(fù)合儲(chǔ)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)越低,越有利于建筑材料的隔熱性能,提高材料的儲(chǔ)熱能力。

結(jié)語(yǔ):

相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料熱傳導(dǎo)能力的一個(gè)重要參數(shù),在航空航天領(lǐng)域,建筑,織物等領(lǐng)域都有很重要的應(yīng)用。C-ThermTrident采用改良瞬態(tài)平面熱源法,可以非常方便,快速的測(cè)試材料的導(dǎo)熱系數(shù),為科研研究過程提供重要的幫助。



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