共晶盐蓄冷材料的研制及特性的研究
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摘 要
随着经济的发展和人民生活水平的提高，我国电力供应日益紧张，夏季城市
电网供需矛盾尤为突出。蓄冷技术作为电力负荷管理策略的一项重要技术手段，
应用于空调系统，可以起到移峰平谷，平衡电力负荷的作用。目前常用的蓄冷介
质主要有水、冰、气体水合物和共晶盐，水蓄冷系统体积太大，冰蓄冷系统蒸发
温度太低，共晶盐介于两者之间，具有相变温度高、蓄冷密度大的优点，在工程
应用中发挥节能效益，实现能源利用和环境保护的双重目的。
但是共晶盐相变材料也存在一些缺点，如：过冷度较大、性能不稳定、固-液
相分离现象严重、易老化等。这些缺点制约了共晶盐材料在实际工程中的应用。
因此对共晶盐相变材料性能的研究以及对新型材料的研制，一直是国内外专家学
者关注的重要课题。
本课题主要内容是在对共晶盐相变蓄冷材料的原理进行学习的基础上，查阅
了大量国内外文献，设计了实验系统，动手研制了一种适用于蓄冷空调系统的共
晶盐材料，对材料的蓄冷过程进行了细致的对比实验，对材料的关键性能获得了
定量的结论，并对材料的物性参数进行了理论计算。
主要工作和成果有以下几点：
1) 在众多的无机盐及其水合盐材料中筛选得到了一种适用于蓄冷空调系统的
共晶盐相变材料的配方，并申请了发明专利；
2) 运用了化学热力学、材料学、结晶动力学的理论分析了共晶盐材料的相变
蓄冷原理，了解了过冷度对共晶盐蓄冷材料结晶过程的影响，提出了采用添加辅
助材料降低共晶盐过冷度的理论依据；
3) 设计了实验的方案，搭建了实验系统。并运用 VB 程序语言，编制了该实
验装置的数据采集软件。
4) 通过大量细致的实验与数据处理，分析了各组分材料性能，对该配方添加
了合适比例的辅助材料，使共晶盐材料的过冷度、相分离等现象得到了较好的改
善，稳定性得到提高。
5) 经过理论计算，研制的共晶盐相变蓄冷材料的固态比热容为 1.42
kJ/(kg·℃)，液态比热容为 2.29 kJ/(kg·℃)；相变潜热量为：137.94～185.24 kJ/kg。
关键词：共晶盐 结晶动力学 过冷度 步冷曲线 实验研究 理论计算
ABSTRACT
With the development of economy and the improvement of people's living
standard, the power supply is becoming increasingly tense in China. The imbalance of
urban power between supply and demand in summer is particularly prominent. As one
of the important effectual techniques of the power load management strategy, the
storage technology can not only shift electric load from on-peak period to off-peak
period but also average electric-load in all daytime. The normal storage medium at
present include: water, ice, gas hydrate and eutectic salt. The chilled water storage
system has a big cubage, and the ice storage system has a lower evaporation
temperature. The eutectic salt phase change materials have more advantages over ice
and water.
But the eutectic salt phase change materials also have some disadvantages. Such
as the problems of supercooling and phase segregation during the phase change
process. Because of these shortcomings, the eutectic salt phase change materials can
not be widely used in practical engineering applications. So the performance research
and the development of the eutectic salt phase change materials has always been an
important scientific research work.
The main task of this paper is to study crystallization principle of eutectic salt
phase change thermal storage materials and to develop a new kind of eutectic salt
material. The major work and results are as follows:
1) A kind of eutectic salt material has been developed in this paper, which could
be used for storage air-conditioning System.
2) According to the chemical thermodynamics theory, materials science and
crystallization kinetics theory, firstly, the phase change cool storage principle of
eutectic salt has been analyzed in this paper, secondly, the affection of supercooling
degree on eutectic salt storage material crystallization process has been grasped , and
thirdly, theoretical basis for adding supplementary material to reduce the use of
eutectic salt cooling degree has been proposed.
3) Not only a new kind of experimental program has been designed but also a new
kind of experimental system has been built here. Meanwhile a new kind of data
acquisition software of the experimental system has been developed by using VB
programming language too.
4) Through both repeated and detailed experiments and data processings, and after
analyzing the property of the material components, appropriate proportion of auxiliary
materials have been added to the formula, consequently, eutectic salt materials
supercooling degrees and phase separation phenomenon have been better improved
and stability has been improved too.
5) Through theoretical calculations, the physical parameters of the eutectic salt
material we developed are as follows: its solid specific heat capacity: 1.42 kJ/(kg•℃),
its liquid specific heat capacity : 2.29 kJ/(kg•℃); and its phase transformation latent
heat: 137.94 ~ 185.24 kJ/kg.
Keywords: Eutectic Salt, Crystallization Dynamics, Supercooling
Degree, Step Cooling Curve, Experimental Study,
Theoretical Calculation
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................1
§1.1 课题研究背景 ....................................................................................................... 1
§1.1 .1 我国电力发展现状 ........................................................................................1
§1.1.2 分时电价与“移峰填谷” ................................................................................. 1
§1.1.3 蓄冷空调技术的意义与发展 .........................................................................2
§1.2 蓄冷空调方式及其优缺点 ................................................................................... 3
§1.3 课题来源与意义 ................................................................................................... 4
§1.3.1 课题来源 .........................................................................................................4
§1.3.2 课题意义 .........................................................................................................4
§1.4 相变蓄能材料的国内外研究应用进程与现状 ................................................... 5
§1.4.1 相变蓄能材料研究的历史 .............................................................................5
§1.4.2 国外相变蓄能材料研究的状况 .....................................................................5
§1.4.3 国内相变蓄能材料研究的状况 .....................................................................6
§1.5 本课题研究内容 ................................................................................................... 7
第二章 共晶盐相变蓄冷的机理 .....................................................................................8
§2.1 相律和相图 ........................................................................................................... 8
§2.1.1 相律 .................................................................................................................8
§2.1.2 相图及有关理论 ...........................................................................................10
§2.1.3 相平衡特性和单元系相图 ...........................................................................11
§2.1.4 二元共晶系相图 ...........................................................................................13
§2.2 结晶动力学原理 ................................................................................................. 14
§2.2.1 结晶机理 .......................................................................................................14
§2.2.2 晶核的形成与成长 .......................................................................................15
§2. 3 影响材料结晶过程的因素 ................................................................................ 17
§2.3.1 过冷度对相变材料结晶过程的影响 ...........................................................17
§2.3.2 难溶杂质相变材料结晶过程的影响 ...........................................................19
§2.4 本章小结 ............................................................................................................. 19
第三章 相变蓄冷材料特性与实验材料选取 ...............................................................20
§3.1 蓄冷材料选择要求、分类及特性 ..................................................................... 20
§3.1.1 蓄冷材料的选择要求 ...................................................................................20
§3.1.2 常用蓄冷材料的分类及特性 .......................................................................21
§3.2 常用共晶盐材料配制材料 ................................................................................. 24
§3.2.1 共晶盐相变材料研制的常用主材 ...............................................................24
§3.2.2 共晶盐常用降低熔点的材料 .......................................................................25
§3.2.3 常用共晶盐材料的主要问题及解决方法 ...................................................... 26
§3.3 本课题选用材料 ................................................................................................. 28
§3.4 本章小结 ............................................................................................................. 28
第四章 蓄冷材料研究的实验方案与装置 ...................................................................30
§4.1 实验目的、内容与原理 ..................................................................................... 30
§4.1.1 实验目的 .......................................................................................................30
§4.1.2 实验内容 .......................................................................................................30
§4.1.3 步冷曲线 .......................................................................................................30
§4.2 实验装置 ............................................................................................................. 32
§4.2.1 实验系统 .......................................................................................................32
§4.2.2 实验设备 .......................................................................................................32
§4.2.3 实验数据采集程序的开发 ...........................................................................34
§4.3 实验步骤和实验方法 ......................................................................................... 36
§4.3.1 实验步骤 .......................................................................................................36
§4.3.2 实验方法 .......................................................................................................37
§4.4 本章小结 ............................................................................................................. 38
第五章 相变蓄冷材料研制的实验与数据分析 ...........................................................39
§5.1 蓄冷材料相变温度的实验 ................................................................................. 39
§5.1.1 以氯化钠为辅材的相变温度的实验 ...........................................................39
§5.1.2 以氯化铵为辅材的相变温度的实验 ...........................................................40
§5.1.3 蓄冷材料相变温度实验的结果分析 ...........................................................41
§5.2 蓄冷材料过冷度的实验 ..................................................................................... 44
§5.2.1 Na2SO4·10H2O和NaCl 材料的过冷度实验 .............................................. 45
§5.2.2 Na2SO4·10H2O和NH4Cl 材料的过冷度实验 ............................................ 47
§5.2.3 蓄冷材料过冷度实验的结果分析 ...............................................................49
§5.3 蓄冷材料相分离的实验 ..................................................................................... 52
§5.3.1 加入硅胶后相变材料的冷却凝固实验 .......................................................53
§5.3.2 加入硅胶后对材料的相分离影响的试验 ...................................................56
§5.3.3 蓄冷材料相分离实验的结果分析 ...............................................................59
§5.4 蓄冷材料的熔化温度的实验 ............................................................................. 59
§5.5 蓄冷材料的稳定性的实验 ................................................................................. 60
§5.6 实验总结与创新点 ............................................................................................. 61
§5.7 本章小结 ............................................................................................................. 63
第六章 相变蓄冷材料的物性参数的理论计算 ...........................................................65
§6.1 固态和液态的比热容的理论计算 ..................................................................... 65
§6.2 相变蓄冷材料的相变潜热的理论计算 ............................................................. 67
§6.3 本章小结 ............................................................................................................. 67
第七章 总结与展望 .......................................................................................................68
§7.1 课题小结 ............................................................................................................. 68
§7.2 展望 ..................................................................................................................... 69
主要符号表 .....................................................................................................................70
参考文献 .........................................................................................................................71
在读期间发表的论文和承担的科研项目及取得成果 .................................................75
一、学术论文 ............................................................................................................. 75
二、专利申请 ............................................................................................................. 75
三、参与科研项目 ..................................................................................................... 76
致 谢 .............................................................................................................................77
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题研究背景
§1.1 .1 我国电力发展现状
改革开放三十年以来，我国经济发展获得了举世瞩目的成就，社会生产力、
综合国力和人民生活水平都有较大幅度的提高。电力工业作为国民经济的基础产
业之一，也取得了长足的进展，
1996 年我国电力装机总容量就已跃居世界第二位[1]。
到2010 年我国电力装机容量将达到或超过 9亿kW，并有望在 5年左右形成世界
上最大的电力系统[2]。
但是，电力的增长仍然满足不了国民经济的快速发展和人民生活用电急剧增
长的需求，全国局部缺电的局面仍然存在，尽管当前的金融风暴造成经济的暂时
萧条，我国的用电紧张状况在短期内还无法得到彻底解决。
电力供应高峰不足而低谷过剩的矛盾日益突出，各大电网的峰谷差均己超过
最大负荷的 30%，个别甚至达到 50%[3]。如表 1.1 所示为全国 6个主要电网 2008
年夏季尖峰期用电负荷基本情况[4~5]。出现电荷峰谷差的最大原因就是空调用电量
的急剧增加。统计数字表明：夏季空调用电占高峰用电负荷的比重，在华东电网、
南方电网和华中电网已经超过 30%，上海空调负荷近 600 万kW，约占尖峰负荷的
44%。一般来说，当空调用电的比例超过 15%，就成为了影响电荷峰谷差的主要因
素。
表1.1 2008年7月全国电网尖峰期报告[4~5]
地区电网
完成发电量
（亿kW）
发电量
同比增长
最高用电荷
（万kW）
最高用电负荷
同比增长
华北
668.34
8.91%
10495
4.84%
华东
743.94
11.42%
12341
7.32%
华中
454.1
8.75%
7247
4.48%
东北
223
8.64%
3475
4%
西北
171.05
16.5%
2650
18.99%
南方
402.51
2.31%
8428
29.36%
§1.1.2 分时电价与“移峰填谷”
解决电力不足的问题，一方面是靠增加对电力的投入，加快电力建设的步伐，
提高电站装机容量，改善电网。但是这些机组在夜间低负荷运转，效率很低；另
一方面是继续坚持开发与节约并重的能源工作方针，加强计划用电与节约用电，
充分利用现有的电力资源，大力开发低谷用电，鼓励电量的移峰填谷。
共晶盐蓄冷材料的研制及特性的研究
2
1994 年11 月国家经贸委、国家计委、电力工业部等召开工作会议，明确指出：
用2-3 年时间在全国电网推行峰谷分时电价政策，用经济杠杆促使电力负荷需求侧
管理(DSM)，鼓励用户开发低谷电力，最大程度地利用现有的电力设备，实现“移
峰填谷”，以缓解电网高峰缺电的矛盾[7]。目前全国各省市己经陆续制定了峰谷分
时电价政策，一般低谷电价只相当高峰电价的 1/2 甚至 1/5[8]。
§1.1.3 蓄冷空调技术的意义与发展
在此背景下，从上世纪八十年代开始，我国的蓄冷空调开始发展起来。如图
1.1所示，在夜间电网低谷时段（同时也是空调负荷很低时段），制冷主机开机制
冷并由蓄冷设备将冷量储存起来，待白天电网高峰用电时段（同时也是空调负荷
高峰时段），再将冷量释放出来满足高峰空调负荷需要或生产工艺用冷需求[9]。从
而调节能量供需，移峰填谷，平衡能量系统，实现能量高效合理利用。
图1.1 蓄冷系统原理图
发展蓄冷空调系统是目前解决电力紧张，缓解电力供求矛盾，有效节约能源
的一项技术措施。
大力发展蓄冷空调技术具有重要的意义[10, 12]：
(1) 移峰填谷，平衡电网峰谷负荷。采用蓄冷技术，有利于提高电网负荷效率，
也有利于电管网的安全运行。
(2) 改善发电机组效率，减少环境污染，减少对矿物燃料的消耗和运行费用高、
效率低的调峰电站的投入。
(3) 减少制冷机组装机容量，给用户带来经济效益。随着峰谷电价比的加大，
用户侧采用蓄冷技术将大大减少空调运行费用。
(4) 提高制冷机组运行效率。采用蓄冷系统可以使制冷机组处于满负荷下稳定
高效地运行，满负荷运行时机组效率最高。
20 世纪 70 年代以来，蓄冷技术迅速发展。美国及欧洲一些国家积极开发蓄冷
设备和系统，实施的工程项目也很多。到 1994 年底，美国约有 4000 多个蓄冷空
调系统用于不同类型的建筑；日本到 2002 年所建成的水蓄冷项目有 2548 个，集
摘要：
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摘要随着经济的发展和人民生活水平的提高，我国电力供应日益紧张，夏季城市电网供需矛盾尤为突出。蓄冷技术作为电力负荷管理策略的一项重要技术手段，应用于空调系统，可以起到移峰平谷，平衡电力负荷的作用。目前常用的蓄冷介质主要有水、冰、气体水合物和共晶盐，水蓄冷系统体积太大，冰蓄冷系统蒸发温度太低，共晶盐介于两者之间，具有相变温度高、蓄冷密度大的优点，在工程应用中发挥节能效益，实现能源利用和环境保护的双重目的。但是共晶盐相变材料也存在一些缺点，如：过冷度较大、性能不稳定、固-液相分离现象严重、易老化等。这些缺点制约了共晶盐材料在实际工程中的应用。因此对共晶盐相变材料性能的研究以及对新型材料的研制，一直是...
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作者：牛悦
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：80 页
大小：4.86MB
格式：PDF
时间：2024-11-19
