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(lèi)和和性質(zhì)，闡述了相變材料的選取原則，理論計(jì)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(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步、人類(lèi)生存發(fā)展的基礎(chǔ)。同樣，環(huán)境則是人類(lèi)賴以生存和發(fā)展的必要條件。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，人們對(duì)能源的需求日益增加，傳統(tǒng)的不可再生能源越來(lái)越少。而對(duì)不可再生能源過(guò)量開(kāi)采和浪費(fèi)，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(shí)，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(jì)數(shù)據(jù)表明，全國(guó)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(kāi)發(fā)出新的綠色能源及降低能耗己經(jīng)成為我國(guó)乃至世界的一個(gè)非常緊迫的課題。相變儲(chǔ)能材料(PhaseChangeMaterial，簡(jiǎn)稱(chēng)PCM))的出現(xiàn)為提高建筑物舒適度、降低能耗和改善對(duì)環(huán)境負(fù)面影響提供了一條有效途徑。所謂相變儲(chǔ)能是指物質(zhì)在相變化過(guò)程中吸收或釋放能量。相變的過(guò)程是一個(gè)等溫或近似等溫，并伴有大量的能量吸收或釋放過(guò)程，正是這一特性構(gòu)成了相變儲(chǔ)能材料具有廣泛應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。在采暖空調(diào)領(lǐng)域，由于人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境的舒適度要求越來(lái)越高，相應(yīng)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(guò)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(lèi)：從化學(xué)成分分類(lèi)，可分為無(wú)機(jī)相變材料和有機(jī)相變材料?？勺鳠o(wú)機(jī)相變材料的無(wú)機(jī)物包括水合無(wú)機(jī)鹽、無(wú)機(jī)鹽、金屬和合金，其中只有無(wú)機(jī)水合鹽屬于中、低溫相變儲(chǔ)能材料。與有機(jī)相變材料相比其導(dǎo)熱系數(shù)、融解熱、密度和儲(chǔ)熱密度均較大、化學(xué)性質(zhì)一般呈中性、價(jià)格便宜。用于供暖空調(diào)系統(tǒng)及建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)晶水合鹽類(lèi)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(lèi)水合物。有機(jī)相變材料有石蠟、脂酸類(lèi)以及某些醇類(lèi)、芳香烴類(lèi)化合物等。這里著重介紹在建筑節(jié)能中常用的石蠟類(lèi)和脂酸類(lèi)有機(jī)物。石蠟主要由直鏈烷烴混合而成，分子式為CnH2n+2。應(yīng)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(lèi)有機(jī)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(yīng)用于相變墻板中的脂酸類(lèi)有機(jī)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(chǔ)能材料。其相變溫度在100—300℃區(qū)間，且相變過(guò)程中不生成液態(tài)。通常應(yīng)用的多元醇類(lèi)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(yīng)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(yīng)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(yīng)在此范圍內(nèi)。②PCM不能從墻板中泄露、長(zhǎng)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(guò)冷現(xiàn)象（或過(guò)冷度很小）。④PCM必須要容易與建材結(jié)合。⑤無(wú)毒、對(duì)人體無(wú)腐蝕。⑥不易燃。⑦體積膨脹率小。⑧低蒸汽壓。⑨滿足經(jīng)濟(jì)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(lèi)有機(jī)物滿足該條件.雖然石蠟類(lèi)相變材料擁有較高的融解熱和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，是應(yīng)用于建筑墻體中的相變材料的首選，但其價(jià)格極其昂貴，因而失去了研究和使用的意義。脂酸類(lèi)相變材料的特性與石蠟類(lèi)相近，且其價(jià)格低廉，可應(yīng)用于相變墻板的使用中。經(jīng)研究測(cè)試，發(fā)現(xiàn)癸酸—肉豆蔻酸和癸酸—月桂酸的有機(jī)混合物的熔點(diǎn)、融解熱比較合適，熔化溫度可以通過(guò)改變混合物中各化合物的組分來(lái)改變。3對(duì)該相變材料的可行性的理論研究3.1對(duì)該癸酸、月桂酸相變溫度和相變潛熱的DSC測(cè)試差示掃描量熱法（DifferentialScanningCalorimetry，簡(jiǎn)稱(chēng)DSC）是在程序溫度控制下測(cè)量物質(zhì)與參比物之間單位時(shí)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(bǔ)償加熱絲。當(dāng)試樣在加熱過(guò)程中，由于熱反應(yīng)而出現(xiàn)溫差△T時(shí)，通過(guò)差熱放大和差動(dòng)熱量補(bǔ)償使流入補(bǔ)償絲的電流發(fā)生變化。當(dāng)試樣吸熱時(shí)，補(bǔ)償使試樣一邊的電流立即增大。反之，在試樣放熱時(shí)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(yīng)時(shí)發(fā)生的熱量變化，由于及時(shí)輸入電功率而得到補(bǔ)充。將實(shí)驗(yàn)選取的癸酸(C10H20O2)和月桂酸(C12H24O2)做DSC測(cè)試。，所用的癸酸和月桂酸由中國(guó)醫(yī)藥（集團(tuán)）上?；瘜W(xué)試劑公司生產(chǎn)，化學(xué)純。癸酸技術(shù)參數(shù)標(biāo)定含量高于98.5%，凝固點(diǎn)≥29℃。月桂酸技術(shù)參數(shù)標(biāo)定含量高于99.8%，熔點(diǎn)在43—44℃。DSC以0.2℃/min的掃描速率紀(jì)錄，測(cè)試所用相變材料樣品的重量大約是10mg。通過(guò)癸酸和月桂酸的DSC圖（左側(cè)），可知純化合物癸酸的熔點(diǎn)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(diǎn)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(jiàn)癸酸、月桂酸都有較高的相變潛熱，是很好的儲(chǔ)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(lèi)任一種純化合物的熔點(diǎn)都高于我們要求的相變溫度（空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)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(dá)到一最低的熔點(diǎn)，稱(chēng)為低共熔點(diǎn)。若將具有低共熔點(diǎn)的組成的溶液冷卻，在低共熔點(diǎn)全部凝固。該低共熔點(diǎn)為混合后相變材料的計(jì)算相變溫度。3.2癸酸與月桂酸混合配比的確定通過(guò)對(duì)由癸酸—月桂酸形成的相變材料的熔點(diǎn)、熔解熱的理論計(jì)算，選出合適的百分比，配出相變材料，進(jìn)行測(cè)試。3.21癸酸與月桂酸低共熔點(diǎn)及混合配比的理論計(jì)算客通過(guò)施羅德控（論Schrod抬e助r裂）公式計(jì)算可嘴得到不同癸酸螺與月桂酸混合需比對(duì)應(yīng)的不同鋒的相變溫度。需低共熔溫度時(shí)強(qiáng)呈三相平續(xù)衡添[3鍵]鄰：桐描A神（現(xiàn)s盟）夾?勿AB驕2市(錫s)稿?約溶淹液勸L展在定溫定壓時(shí)師，為使溶開(kāi)質(zhì)婚A提溶于溶立劑執(zhí)B勝所形成的溶液受和純?nèi)苋鹳|(zhì)螺A未處于平衡漫，勿A標(biāo)在兩相中的化侮學(xué)位必須相等授。即（3-1）朵式中杜是純固體溶彈質(zhì)塵A監(jiān)的化學(xué)位（摩霧爾吉布斯能）啟。在平衡時(shí)用覺(jué)飽和溶液中溶涉質(zhì)育A桑的摩爾分?jǐn)?shù)表拾示溶解度。摟因?yàn)槭抢硐肴馨Y液模型，所以貍因們此焦字（斃3-幟2物）構(gòu)對(duì)式欣（醬1-數(shù)2級(jí)）兩邊取全微料分，（3-3）野當(dāng)壓力一定時(shí)喊，（3-4）將式中：簽—捉—烤混合物主要成醋分芳A則的摩爾分?jǐn)?shù)；球—謎—紗純化合晶物荒A索的熔化潛熱約，光J/mo解l汽；仁—?jiǎng)颉s純化合捕物危A著的熔化溫度謎，鹿K淡；總—驟—解含有化合丙物蝶A仰的混合物的熔績(jī)化溫度很，眨K跑；今—睜—占?xì)怏w常數(shù)塌，躲8.315未J/kmo美l冷。舌由于脂酸的熔昨化點(diǎn)與其純度棒有關(guān)，因純度鏈低可能造成與繪文獻(xiàn)值的差值彎高達(dá)困3激℃在，因此選擇的椅相變材料首先仍要嘆用洞DS柴C梁方法測(cè)量得到家的純酸的熔化辯溫度和熔化熱遵。利用測(cè)得的仇值（恩，逢）和方程扯（畢3-煎4魂）來(lái)計(jì)算二元齊混合物的低共律熔點(diǎn)（，秧）。妙按照施羅德公畢式計(jì)算出癸酸敢與月桂酸混合橡物的低共融溫孔度及對(duì)應(yīng)的混袖合百分比。從孕以今上俱DS糠C販測(cè)試可知，癸未酸相變溫度為捏30.63補(bǔ)8稍℃喉，月桂酸為測(cè)42.90膊6洗℃霧。癸酸的相變及焓值算為匹155.45具7J/洪g神，月桂酸凱為壺175.83增2J/楚g說(shuō)。首先考慮癸套酸為溶劑，月閥桂酸為溶質(zhì)。臨以飽和溶液的容摩爾分?jǐn)?shù)表示灘的月桂酸的溶嫂解度可如下求捷出：（3－5）劇其次，考慮月氏桂酸為溶劑，竹癸酸為溶質(zhì)的死情況，癸酸的獨(dú)溶解度為：（3－6）丈上圖是利用公辰式始3牲－貌5描、秧3演－公6唯繪得。右邊的帽曲線是月桂酸溫的溶解度曲線盒，也可以把它觀看為月桂酸的崗凝固點(diǎn)降低曲擦線。左邊的曲律線是癸酸的溶?chē)L解度曲線（或透凝固點(diǎn)降低曲霜線）。兩條曲跟線廁在宰想19.09罩征℃館，泉0.3倍4腥處相交。這就眠是癸獲酸鐘—聾月桂酸體系的研低共熔點(diǎn)?？闪恢镏峤墶以鹿鹚峄旌衔锇卦诒壤疄榇?6他%今：吸34芽%熊附近時(shí)可達(dá)到摔最低溶解溫度暑為高19.0賤9新℃帶，該溫度也在索室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度視內(nèi)，符合要求殃。邪致3.3補(bǔ)鑒該混合物相變包潛熱的理論計(jì)售算聚根據(jù)文怎獻(xiàn)慚[4貪]汽對(duì)（準(zhǔn)）共晶轟系的熔解熱進(jìn)艷行了分析預(yù)測(cè)閉，得到混合物窮熔解熱的計(jì)算尸經(jīng)驗(yàn)公式：（3-7）煙式中：但—斗—隨第種組分的重謠量百分比；遙—葡—浴第鏡種組分的融解伸熱；勻—微—掉第褲種組分的融點(diǎn)喪—孤—紹第脅種組分液態(tài)的草比熱碧—壯—混第簡(jiǎn)種組分固態(tài)的乒比熱轎將試得的癸酸惰相變溫度佛30.63震8冷℃址，相變潛熱守155.45更7J/竊g耕和月桂酸相變你溫度會(huì)42.90牌6殲℃黃，相變潛熱完175.83團(tuán)2J/晉g冬以及混合物的區(qū)低共熔溫度茅19.0泳9鎮(zhèn)℃塌代入此公式，墨可得召到西66爐%直癸謀酸泄—他34拼%漁月桂酸所組成淘的混合物的相逗變潛熱企為珍153.97肌9J/慌g盛?？梢?jiàn)癸揮酸層—幸月桂酸按一定哀比例混合后生鈔成的混合物具伐有較高的熔解豐熱，可用于冬稿季空調(diào)房間的慰相變墻板。結(jié)論：濾通過(guò)施羅德公罪式的理論計(jì)算快，可知用癸酸夏和月桂酸按重望量比劇為皮6腰6牧：請(qǐng)3煉4從混合得到的相腰變材料具有較賀高的融解熱，座且相變溫度在竹室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)搜溫度范圍內(nèi)，消故可以作為相持變儲(chǔ)能的材料治。參考文獻(xiàn)傅[1]考栗周大地，韓文上科滑.遭中國(guó)能源問(wèn)題壩研