不同冷卻溫度下相變材料Na2SO4

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1、不同冷卻溫度下相變材料Na2SO4.10H2O的過冷行為來源:沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院作者:李國柱研究不同冷卻溫度下結(jié)晶水合鹽Na2SO4·10H2O的過冷行為。建立了過冷行為的測試裝置，測試并繪制了不同冷卻溫度下Na2SO4·10H2O添加成核劑前后的步冷曲線，以研究其過冷行為。結(jié)果表明，冷卻溫度在5℃～25℃時(shí)過冷度隨冷卻溫度的減小而增大；冷卻溫度為25℃時(shí)Na2SO4·10H2O不發(fā)生完全結(jié)晶甚至不結(jié)晶；最小過冷度發(fā)生在冷卻溫度為20℃時(shí)，為5.3℃；最大過冷度發(fā)生在冷卻溫度為5℃時(shí)而非0℃，為15.9℃。添加成核劑可降低Na2SO4·1

2、0H2O的過冷度，但放熱溫度變小，且隨著冷卻溫度的減小而降低。相變材料(PhaseChangeMaterial，PCM)性能研究及其在暖通空調(diào)、廢熱回收及太陽能利用等領(lǐng)域的應(yīng)用，是被重點(diǎn)研究的交叉領(lǐng)域。相變材料一般可分為有機(jī)類、無機(jī)類和混合類。結(jié)晶水合鹽相變材料屬于無機(jī)類，它具有價(jià)格較便宜、溶解熱較大、使用范圍廣等特點(diǎn)，通常是中低溫儲能材料中重要的一類，Na2SO4·10H2O即是此類的典型材料。結(jié)晶水合鹽相變材料在“熔-凍”過程中，通常存在過冷度大的現(xiàn)象，導(dǎo)致熔化與凝固的溫度不一致，嚴(yán)重制約了實(shí)際應(yīng)用。國外對結(jié)晶水合鹽的研究在20世紀(jì)70年代已經(jīng)開

3、始，80年代研究已經(jīng)達(dá)到高峰，國內(nèi)則從20世紀(jì)80年代開始相繼開展Na2SO4·10H2O作為相變儲熱材料的研究。Telkes對Na2SO4·10H2O的過冷性進(jìn)行了深入研究，指出添加硼砂作為成核劑是解決過冷的有效途徑；Onwubiko通過DSC研究得出添加0.95%的農(nóng)用硼砂可使Na2SO4·10H2O的過冷度降至最小，Ryu的研究顯示硼砂的最佳量為3%；Marks指出成核劑硼砂可降低Na2SO4·10H2O的過冷度，但其儲熱性能會(huì)隨著循環(huán)使用而衰減。楊立斌和丁益民分別對Na2SO4·10H2O的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)和水合鹽儲熱材料的成核作用做了論述；曾翠華

4、指出，加入成核劑是降低無機(jī)水合鹽過冷度較經(jīng)濟(jì)有效的措施；范穎討論了不同成核劑對硫酸鈉溶液過冷度的影響。國內(nèi)外學(xué)者對Na2SO4·10H2O作為相變儲能材料的研究主要集中在過冷機(jī)理論述、成核劑篩選和成核劑用量等工作上，而針對不同冷卻溫度下相變材料Na2SO4·10H2O過冷行為的研究鮮見報(bào)道。本文在分析闡述結(jié)晶水合鹽過冷機(jī)理的基礎(chǔ)上，對不同冷卻溫度下Na2SO4·10H2O添加成核劑前后的過冷度進(jìn)行測試，并繪制Na2SO4·10H2O的步冷曲線，以研究不同冷卻溫度下相變材料Na2SO4·10H2O的過冷行為，為實(shí)際應(yīng)用及進(jìn)一步的材料性能研究奠定基礎(chǔ)。1

5、、實(shí)驗(yàn)材料和方法1.1、試劑材料測試材料的具體組成和基本性能：Na2SO4·10H2O，純度規(guī)格為分析純，實(shí)驗(yàn)中作為相變材料；硼砂，純度規(guī)格為分析純，實(shí)驗(yàn)中作為相變材料Na2SO4·10H2O的成核劑。1.2、測試方法結(jié)晶水合鹽的溫度在熔點(diǎn)Tm時(shí)通常并不發(fā)生結(jié)晶，必須使溫度降低到熔點(diǎn)以下某個(gè)溫度時(shí)才開始結(jié)晶。當(dāng)相變發(fā)生時(shí)，吉布斯自由能(G)就要降低，降低的這部分自由能ΔG就提供了相變產(chǎn)生的推動(dòng)力。一個(gè)體系的自由能定義為G=H-TS(1)式中：G為體系的自由能；H為焓，表征體系的熱含量；T為絕對溫度；S為熵，表征體系的“混亂度”。對于具有a相和b相的兩

6、相物質(zhì)，當(dāng)由a相轉(zhuǎn)變b相時(shí)，有ΔG=Gb-Ga<0(2)式中，Ga為a相的自由能；Gb為b相的自由能。液相自由能GL和固相自由能GS隨溫度的變化規(guī)律如圖1所示，圖1表明，當(dāng)溫度TTm時(shí)，GL-GS<0，為固相轉(zhuǎn)化為液相；當(dāng)溫度T=Tm時(shí)，為固、液兩相共存狀態(tài)。圖1?液相與固相自由能隨溫度變化示意圖結(jié)論1)結(jié)晶水合鹽發(fā)生液-固相變需要一定的過冷度作為結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力；2)冷卻溫度在5～25℃范圍內(nèi)，Na2SO4·10H2O的過冷度隨冷卻溫度的減小而呈現(xiàn)增大趨勢，最大過冷度發(fā)生在5℃，為15.9℃，最小過冷

7、度發(fā)生在20℃，為5.3℃；冷卻溫度為0℃時(shí)，Na2SO4·10H2O的過冷度相對5℃時(shí)反而減小，平均在9℃左右；冷卻溫度為25℃時(shí)，Na2SO4·10H2O由于過冷的存在而不會(huì)發(fā)生完全結(jié)晶甚至不發(fā)生結(jié)晶；3)添加3%的硼砂作為成核劑可有效改善Na2SO4·10H2O過冷度大的問題，但放熱“平臺”的溫度較未加入成核劑的Na2SO4·10H2O有所減小，且“平臺”溫度易受冷卻溫度影響，表現(xiàn)為“平臺”溫度隨冷卻溫度的降低而下降，反之上升，而未加入成核劑的Na2SO4·10H2O的放熱“平臺”溫度基本不受冷卻溫度的影響；4)Na2SO4·10H2O的放熱“

8、平臺”持續(xù)的時(shí)間隨著冷卻溫度的降低而變短。