用稳态平板法测定储热材料导热系数的实验研究

第２４卷第５期　２０１０年１０月　制冷与空调　Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｉｒ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｖ＿０Ｉ．２４　Ｎｏ．５　０ｃｔ．２０１０．２６～２９　文章编号：１６７１—６６１２（２０１０）０５—０２６—０４　用稳态平板法测定储热材料导热系数　的实验研究　茅靳丰　黄玉荣　李金田　刁孝发　李伟华　马晓光　（解放军理工大学５－程兵．Ｙ－程学院【摘南京２１　０００７）　要】　为了改善无机水合盐三水醋酸钠储热材料的导热系数，可以加入一定量的高导热系数的膨胀石墨。　采用稳态半板法测定了含不同体积分率膨胀石墨的复合相变储能材料的导热系数，经过比较分析，　储热材料加入膨胀石墨后，导热系数明显改善，１０％体积分率的膨胀石墨能将以三水醋酸钠为储　热基质的储热材料的导热系数提高一倍；固态储热材料的导热系数随温度上升，变化幅度不大，　在实际贮能工程计算中可作常数处理。　【关键词】　稳态平板法；导热系数；三水醋酸钠；膨胀石墨　中图分类号　ＴＫ１２１／ＴＢ６１＋２　文献标识码Ａ　ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａＩ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｍｅｎｓｕｒａｔｅ　ｔｈｅ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　Ｈｅａｔ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ｂｙ　Ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ　Ｍｅｔｈｏｄ　Ｍａｏ　Ｊｉｎｆｅｎｇ　Ｈｕａｎｇ　Ｙｕｒｏｎｇ　Ｌｉ　Ｊｉｎｔｉａｎ　Ｄｉａｏ　Ｘｉａｏｆａ　Ｌｉ　Ｗｅｉｈｕａ　Ｍａ　Ｘｉａｏｇｕａｎｇ　（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ｃｏｒｐｓ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，ＰＬＡ　Ｕｎｉｖ．ｏｆ　Ｓｅｉ．＆Ｔｅｃｈ．，Ｎａｎｊｉｎｇ，２　１　０００７）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｓｏｄｉｕｍ　ａｃｅｔａｔｅ　ｔｒｉｈｙｄｒａｔｅ，ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｔｈｅｍａｌｒ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｇｒａｐｈｉｔｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｄｄｅｄ．Ｓｔｅａｄｙ—ｓｔａｔｅ　ｐｌａｔｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｍｅｎｓｕｒａｔｅ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｙ　ｏｆ　ｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｐｈａｓｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｎｔａｉｎｓ　ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｇｒａｐｈｉｔｅ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｖｏｌｕｍｅ　ｆｒａｃｔｉｏｎ．Ａｆｔｅｒ　ａ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｙ　ｏｆ　ｔｈｅａｔ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｗａｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｓｉｇｎｉｉｃａｎｔｌｆｙ　ｗｈｅｎ　ａｄｄｉｎｇ　ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｇｒａｐｈｉｔｅ．Ａｎｄ　ｉｔ’Ｓ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｙ　ｗｉｌｔｌ　ｂｅ　ｎｅａｒｌｙ　ｄｏｕｂｌｅ　ｗｈｅｎ　ａｄｄｉｎｇ　１　Ｏ％ｖｏｌｕｍｅ　ｆｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｇｒａｐｈｉｔｅ．Ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｙ　ｏｆ　ｔｓｏｌｉｄ　ｈｅａｔ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｗｉｔｈ　ｃｈａｎｇｅｄ　ｓｌｉｇｈｔｌｙ　ｗｈｅｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒｉｓｅ．Ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｔｒｅａｔｅｄ　ａｓ　ａ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ．　［Ｋｅｙ－ｗｏｒｄｓ］　ｓｔｅａｄｙ—ｓｔａｔｅ　ｐｌａｔｅ　ｍｅｔｈｏｄ；ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｙ；ｓｔｏｄｉｕｍ　ａｃｅｔａｔｅ　ｔｒｉｈｙｄｒａｔｅ；ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｇｒａｐｈｉｔｅ　Ｏ　引言　储能在国家能源工业生产中占有极其重要的　地位，新储能材料的开发利用足一个十分重要的领　域。由于在储释能过程中有能量的传递，特别由于　其储、释能过程的能量传递是以热传导形式为主，　前最普遍的方法是稳态平板法　’ｊ　Ｊ。稳态平板法比　较简单，且精度较高，但主要用于测量固体介质，　一般需要把被测物处理成规则固定尺寸的几何形　状（例如长方体）后再测量。本文选用稳态平板法　测定以三水醋酸钠为基质的复合相变储热材料的　导热系数，并进行对比分析。　则导热系数成为影响储能材料蓄放热效率的重要　因数。本文以自制的三水醋酸钠（ＣＨ　ＣＯ０　Ｎａ・３Ｈ２Ｏ）无机水合盐类相变材料为储热基质，选　用高导热系数的膨胀石墨作为添加剂来改善其导　热系数。无机水合盐、膨胀石墨的配比已经通过大　量的试验确定。材料导热系数的测量方法大致有稳　态平板法、稳态圆柱板法、ＤＳＣ探针法等几种，目　１　实验　１．１　实验原理　稳态平板法是一种利用一维稳态导热过程的　原理测定材料导热系数的方法，适用于各种绝热保　温材料和非良导热材料。其基本原理式为：　作者简介：茅靳丰（１９６２一），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为内部设备防护及空气质量保障理论与技术。　收稿日期：２０１Ｏ－０９—２４　第２４卷第５期　茅靳丰，等：用稳态半板法测定储热材料导热系数的实验研究　（１）　＝　式中：Ａ为试样的有效导热面积，ｍ　；Ｑ为通　过试样的热流量，Ｗ；　为左右两被测试样的平均　厚度，ｍ；／Ｉｆ为左右两被测试样表面降温温差的平　均值，Ｋ；　为被测试样在平均温度　下的导热系　数，Ｗ／ｍ・Ｋ。　１．２实验装置　平板法测定导热系数的实验装置及原理　如　图１和图２所示。　图１稳态平板法实验台　一一　Ｔ４　Ｔ　Ｔ３　主　．一　／　图２稳态半板法不惫图　导热系数的测量设备采用哈尔滨市鸿润教学　试验设各厂的ＷＴＰＱ型稳态导热系数测试台，其实　验仪器部件主要包括电加热板、铜．康铜丝制成的Ｅ　型热电偶、绝热材料、电压稳压器等。电加热板由　高电阻康铜箔制成，康铜箔厚度仅２０１￣ｍ，加Ｌ保　护箔的绝缘簿膜，电阻值稳定，在０４１００￣Ｃ范围里　几乎不变。加热器的面积和试件的相同。加热表面　的温度　（或　）和冷却表面Ｔ３（或Ｔ４）都用热电偶来　测定。由于本实验台功率表读数为两个平板的导热　量总和，且实验装置被测长方体规格尺寸为　２６０×２６０×６０ｍｍ　，故可以将式ｒ１）改写为：　Ｑ　ＵＩ６ｍ　ＡｘＡｔ　Ａｘ［（ＴＩ一　）－Ｉ－（　一　）］　：ｏ．２９５８　（２）　一ｒ３＋（　一　）　式中：　为功率表电压读数，Ｖ；　为额定电流，　Ａ；　、　、　、　为测点的热电偶温度，Ｋ。　３　实验材料　储热基质为三水醋酸钠（ＣＨ３ＣＯＯＮａ・３Ｈ２０）　分析纯，无色透明晶体，密度１４５０ｋｇ／ｍ　，熔点为　５８℃，熔解热为２６５ｋＪ／ｋｇ，无毒、价格低、来源易　Ｊ；成核剂为十二水磷酸氢二钠（Ｎａ２ＨＰＯ４・１２Ｈ２０）　分析纯，无色单斜晶系晶体，密度１５２０ｋｇ／ｍ　；增　稠剂采用羧甲基纤维素（ＣＭＣ），微黄色絮状纤　维粉末，无嗅、无味、无毒；膨胀石墨，由可膨胀　石墨粉（型号Ｆｕｔｕｒｅ．Ｃ８０，膨胀率２００ｍＬ／ｇ，粒度　８０目，含碳率９０％，含硫量２．２％），经高温膨化制　得，膨胀倍数约为５０倍左右，效果如图３所示。　图３可膨胀石墨粉膨化效果　１．４实验步骤　装药后　试样成品　图４稳态平板法试样制备过程　（１）首先按照配比（质量分数为９１．４％的　ＣＨ３ＣＯＯＮａ・３Ｈ２Ｏ，２．９％的Ｎａ２ＨＰＯ４・１　２Ｈ２０，５．７％　的ＣＭＣ）称取一定质量的材料（足以制备两块试　制冷与空调　２０１０正　样）混匀，一式九份，再取八份体积分率分别为　６％～１３％的膨胀石墨，另外一组不加膨胀石墨，再　调整主加热器功率，使中心铜板温度上升到５５℃，　同时调整辅加热器功率，使辅加热器温度为５５℃。　此时主加热器电阻丝产生热量只能通过试样传导，　冷面循环水将热量带走，防止热量通过实验装置侧　次混匀后制备试样，制备过程如图４所示。（２）将　试样置于烘箱中作干燥处理。　（３）将试样表面加　工平整，使之与加热铜板及冷板紧密相贴，不允许　有空气间隙。如果试样表面仍不够平整，可在试样　面散失。　（７）由于平板法测量导热系数时，系统　进入平衡时间较长，一般需要７ｄ，时以上。观察　，　，　，　和铜板间撒上可膨胀石墨的粉末，以求接触良好，　将制备的其中一组两个试样放入试样槽中（在试样　两侧接触热电偶端撒上一层石墨粉，以使试样与热　读数，一小时为一个测点，当两测点之　间温度波动小于０．１℃时表明实验系统进入平衡状　态，可以记录数据。　电偶接触紧密），用重物压紧，减少导热系数测量　误差。（４）接通电源开关，使恒温水浴冷却循环，　热电偶均进入工作状态，调整恒温水浴温度，设定　为ｌ５℃，使水浴温度恒定在设定值附近。　（５）开　动主、辅加热器电源，设定主加热器最高温度为　６０℃，避免过高温度使试样融化影响实验精度。（６）　２实验数据与分析　（１）将主加热器功率控制在２０５Ｗ左右，测定　含体积分率为６％～１３％膨胀石墨试样的导热系数，　实验数据如表ｌ所示。为了便于分析将数据用Ｏｒｉｇｉｎ　绘制成图，如图５所示。　表１　含不同体积分率膨胀石墨试样导热系数的实验数据　注：Ｔｍ＝（　＋Ｔ２＋　＋　）／４，℃。　２．４　分率膨胀石墨试样的导热系数进行测定，实验数据　如图６和图７所示。　ｇ　由表１和图５可知：试样在平均温度约为３６℃时　的导热系数随着膨胀石墨体积分率的增大而提高，　导热系数在膨胀石墨体积分率为９％左右前，增加　较为明显，当膨胀石墨体积分率超过９％后，膨胀　每　Ｖ　繇　簸　曲　石墨对复合相变材料导热系数的改善作用降低，增　６　８　１０　１２　】４　加较慢。但过量的膨胀石墨的加入会影响无机水合　盐储热材料的相变性能，因此在加入膨胀石墨提高　复合相变储热材料导热系数时应尽量减少膨胀石　墨对三水醋酸钠相变性能的不利影响，尽量避免过　膨胀石墨体积分率（％）　图５不同体积分率膨胀石墨与导热系数关系图　（２）调整加热器功率使热面温度维持在　２０￣Ｃ￣５０￣Ｃ之间，调整恒温水浴温度，使冷面温度　维持在１０￣Ｃ￣２０￣Ｃ之间。分别对未加和加１０％体积　冷度的增大。在本课题的实验中，经过大量的过冷　度的测试实验，结果表明在相变储能材料中加入体