双层相变材料组合式蓄冷装置的性能研究

凌子夜，王前蒿，张正国，高学农，方晓明



双层相变材料组合式蓄冷装置的性能研究

凌子夜，王前蒿，张正国，高学农，方晓明

（华南理工大学化学与化工学院，传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东广州510641）

实验测试了两种相变温度分别为-5.4 ℃和-9.6 ℃、相变焓分别为132 kJ/kg和173 kJ/kg的十三烷和十二烷在不同组合模式下对蓄冷装置温度变化的影响。结果表明，十三烷在外层、十二烷在内层的组合模式，尽管总相变潜热在所有组合中仅排第三，但蓄冷装置将内壁温度控制在0 ℃以下的时间最长，与双层同为十二烷的工况相同，高于双层同为十三烷及十三烷在内十二烷在外层的模式。相变温度更高的材料在外层，可以降低环境热量传递至蓄冷装置内部的速率，延长蓄冷时间，有利于提高蓄冷装置的性能。

相变材料；蓄冷；多层结构

生活中大量的食品、医疗用品等需要在低温的环境中储存运输。将低温相变材料应用于冷链运输设备的蓄冷装置中，可利用相变材料在发生固-液相变的过程中具有恒温特性及大的相变潜热的优点，储存冷量后长时间提供低温氛围，实现低温储藏产品的长距离运输[1-2]。

为了提高蓄冷装置的性能，延长蓄冷装置的控温时间，选择合适的相变材料及改进蓄冷装置的结构十分必要。利用多层相变材料，借助相变温度不同的相变材料，利用能量的分级储存能够有效地调节能量在存储过程中的传递速率。FANG等[3]通过数值模拟的方法研究了一种使用多种相变材料的管壳式潜热储能单元的性能，结果表明不同相变材料的百分比和融化温度是影响潜热储能单元性能的关键因素，选择合适的相变材料、优化各层相变材料的比例，能够获得最大的传热速率，从而提高系统 的性能。TAO等[4]通过研究相变温度对储能速率及效率的影响，发现合理配置多层相变材料，能够提高相变蓄热器的传热速率、减少有效能的损耗。CHIU等[5]发现多层相变材料可以在蓄放热过程中提供更大的温差推动力，从而提高传热速率。多层相变材料也被应用于建筑节能中，XIA等[6]和ZHU等[7]采用了将两种相变温度不同的相变材料相结合的方式，利用高相变温度及低相变温度的相变材料，分别满足建筑物储冷、储热的需求，降低室内加热及制冷的能耗。

然而，此前将多层相变材料应用于储热、储冷系统中，相变材料的布置方式主要是为了增大相变材料与传热介质之间热量的传递速率。而对于长时间为食品、医疗制品等提供低温环境的储冷系统，需要降低相变材料与传热介质之间的热量传递速率，尽可能地避免外部的热量传入储藏物品，抑制温度的升高速率，以保证内部温度尽可能长时间保持在较低水平。因此，本研究以相变温度分别为-5.4 ℃和-9.6 ℃的十三烷和十二烷作为相变材料，研究不同搭配模式下蓄冷装置储冷时间及温度的变化规律，从而获得能够延长冷量释放周期的、适用于低温储存的多层相变蓄冷模式。

1 实验材料和方法

实验采用十二烷（纯度：98%，阿拉丁工业公司）和十三烷（纯度：98%，阿拉丁工业公司）作为相变材料，其热物性如表1所示，其中密度由产品供应商提供，比热容、相变温度和相变焓通过差式扫描量热仪（Q20，TA仪器公司）测得，热导率由热常数分析仪（TPS2500，Hotdisk公司）测得。

表1 相变材料的热物性

实验采用的蓄冷装置如图1(a)所示，高度为101.5 mm，壁厚1.5 mm，其余尺寸如图1(b)所示。蓄冷装置为三层结构，内层为模拟储藏层，其内壁温度决定着储藏物品的环境温度；外部有两层相变材料层，如表2所示，考察两种相变材料以不同组合方式装填时对内层温度的影响。装置最外层包有20 mm厚的保温棉[热导率0.034 W/(m·K)，河北神舟保温建材集团有限公司]，内部装有9根精度为±0.5 K的K型热电偶，其布置如图2所示，其中装填相变材料的两层内壁面高度为0 mm和50 mm位置分别贴有2根高度不同的热电偶，层间在高度分别插入2根热电偶，中心层内壁贴有1根热电偶。热电偶与安捷伦34970A数据采集仪连接，记录装置内部温度变化数据。

表2 相变材料组合方式

实验过程如下：首先把蓄冷装置放置于HAAKE-C50P制冷油浴中降温蓄冷，待热电偶显示模具整体温度在-15 ℃左右停止；将蓄冷完毕的模具放置在温度为25 ℃的环境中进行升温测试，温度数据通过热电偶记录，环境温度由高低温交变湿热试验循环箱（上海一恒科技有限公司，型号BPHJS-060A）控制。实验对比不同组合模式下蓄冷装置内层温度，每种组合模式的实验重复3次。

2 实验结果与讨论

图3为各实验条件下同一垂直高度上的各点温度变化趋势图。由图3(c)和3(d)可见，当内外两层相变材料同为十二烷或十三烷时，蓄冷装置的温度逐渐升高，并在相变温度-9 ℃和-5 ℃附近出现平台；温度的升高速率按照从外层往中心逐渐降低的趋势，与环境带来的热量从外向内传递的规律吻合。然而，若内外两层相变材料不同，两层的温度平台有所不同。当内层为十二烷，外层相变材料为十三烷时，如图3(a)所示，由于内层相变温度低于外层，外层温度依然较内层上升得快。此时，内层相变材料在-9 ℃附近出现了温度平台，外层相变材料在-5 ℃附近出现了温度平台，中间层的壁面温度（6#测温点）在-7 ℃附近出现温度平台，介于两种相变材料的相变温度之间。当内层为十三烷，外层为十二烷时，如图3(b)所示，外层相变材料温度在-9 ℃产生平台后，快速上升至0 ℃形成第二个温度平台，内层相变材料则未形成-5 ℃的温度平台，而是缓慢经历了从-9 ℃至-5 ℃的温度上升斜坡。中间层的壁面温度始终处于内外两层相变材料温度之间。

由于使用蓄冷装置的目的在于延缓储藏物品的升温速率，图4对比了不同相变材料组合模式下，最内层壁面温度变化上升至0 ℃所需时间。双层都为十三烷时，内壁温度上升至0 ℃速率最快，内层为十三烷外层为十二烷时，内壁温度上升速率次之，双层都为十二烷以及内层为十二烷外层为十三烷时，内壁温度上升速率相近，上升至0 ℃所需时间最长。

双层同为十三烷时，储藏层内壁温度（4-9）在50 min左右上升至-5 ℃，在-5 ℃保持了约100 min后再经过45 min上升至0 ℃。相比于其它组合，双层同为十三烷的装置出现温度平台的时间最迟，温度平台持续时间最短。原因在于十三烷的相变温度高，需要花费更多的时间才能使内壁温度上升至该相变温度；而十三烷的相变焓较十二烷低，相同体积下能够储存的冷量少，因此吸热时间较短。

外层为十二烷内层为十三烷时，内壁温度（2-9）经48 min左右上升至-9.6 ℃，此后经过140 min缓慢呈线性上升至-5 ℃，再经历20 min上升至0 ℃。尽管该组合具有更高的相变焓，但内壁温度上升至0 ℃与前一组合并无显著差别。将低相变温度的十二烷置于外层，使得外层温度在前期处于-9 ℃的低温，与环境温度相差较大，加快了环境对蓄冷装置的传热，加速了相变材料储存冷量的消耗，造成相变焓高却保冷时间并未显著增长的结果。

双层同为十二烷时，内壁温度（3-9）在18 min就达到了-9.6 ℃的温度平台，并在该温度下维持了147 min后再经过73 min上升至0 ℃。由于十二烷的相变温度低，相变焓高，因此该组合模式下，内壁温度率先到达相变材料的温度平台，温度平台持续的时间长，从而有效延长了内壁温度上升至0 ℃所需的时间。

然而需要注意的是，当内层为十二烷，外层为十三烷时，内壁温度（1-9）经过19 min达到-9.6 ℃，之后经过155 min线性上升至-5 ℃，再经过64 min上升至0 ℃。尽管该组合的相变材料相变焓在4个组合中仅列第三，但是将内壁温度保持在0 ℃以下的时长却达到了238 min，与双层同为十二烷的组合模式下的控温时间相同。

相变材料按照相变温度内低外高组合模式能够在相变潜热较低的情况下提供长时间低温氛围，其原因在于环境的热量从四周往中心传递，外层相变材料首先吸收并存储热量。若外层材料相变温度较内层高，外层相变材料可以缩小外层与环境之间的温差，起到缓冲作用，减小环境向装置内部输送热量的速率。相比其它组合方式，相变温度内低外高的组合方式利用热量传递过程，使相变过程所需时间最长，从而保障内层低相变温度的材料能够长时间发挥自身低相变温度的优势，减缓内壁温度上升速率。此外，十二烷价格较高，为十三烷的2倍，但是通过与价格更为低廉的相变材料组合使用，蓄冷装置不仅能够保证长时间提供较低的储藏温度，其成本也可有效降低。

3 结 论

本研究对比了两种不同相变温度的相变材料在4种组合模式下的蓄冷性能，结果表明，当内层采用相变温度低的十二烷，外层采用相变温度较高的十三烷时，蓄冷装置的总潜热值在4种组合中仅列第三，其控温时间却达到了最长的238 min，与双层同为十二烷的装置相同，比双层同为十三烷的装置延长了43 min。由于外层放置相变温度更高的相变材料，可以减小环境与蓄冷装置之间的温差，环境热量传递至蓄冷装置的速率下降，因此构建双层相变材料的蓄冷结构，通过合理地配置相变温度不同的相变材料，对能量分级储存，可以延长蓄冷时间，提升相变材料的蓄冷能力。而且，通过不同相变温度及不同价格的相变材料进行合理搭配，可以降低蓄冷装置的成本。

[1] 朱志强, 张小栓, 于晋泽. 我国鲜活农产品冷链物流与纳米蓄冷材料的应用[J]. 中国果菜, 2014, 34(6): 14-18.

ZHU Zhiqiang, ZHANG Xiaoshuan, YU Jinze. Nano cool-storage material and cool-chain logistics of fresh agriculture products[J]. China Friut & Vegetable, 2014, 34(6): 14-18.

[2] 赵建辉, 张庆勇, 李捞摸. 相变储能技术在血液, 疫苗储运装备中的应用[J]. 医疗卫生装备, 2010, 31(10): 108-110.

ZHAO Jianhui, ZHANG Qingyong, LI Laomo. Application of phase change energy storage technology in storage and transportation equipments for blood and vaccine[J]. Chinese Medical Equipment Journal, 2010, 31(10): 108-110.

[3] FANG M, CHEN G M. Effects of different multiple PCMs on the performance of a latent thermal energy storage system[J]. Applied Thermal Engineering, 2007, 27(5/6): 994-1000.

[4] TAO Y B, HE Y L, LIU Y K, et al. Performance optimization of two-stage latent heat storage unit based on entransy theory[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, 77: 695-703.

[5] CHIU J N, MARTIN V. Multistage latent heat cold thermal energy storage design analysis[J]. Applied Energy, 2013, 112: 1438-1445.

[6] XIA Y, ZHANG X S. Experimental research on a double-layer radiant floor system with phase change material under heating mode[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 96: 600-606.

[7] ZHU N, LIU P, LIU F, et al. Energy performance of double shape- stabilized phase change materials wallboards in office building[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 105: 180-188.

Performance study of a cold storage device with a combination of two phase change materials

LING Ziye, WANG Qianhao, ZHANG Zhengguo, GAOXuenong, FANG Xiaoming

(School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation, the Ministry of Education, Guangzhou 510641, Guangdong, China)

Cold storage using phase change materials (PCMs) has wide applications on the transportation of food and medical products. This article presents a study on the performance of a cold storage device with two PCMs in a layered structure. Tridecane and dodecane were used as the PCMs, which have phase change temperatures and phase change enthalpies of −5.4 ℃ and 132 kJ/kg, and −9.6 ℃ and 173 kJ/kg, respectively. The main objective of the study was to find the best combination of the two PCMs giving the longest storage period. The results showed that the combination with tridecane placed outside and dodecane inside gave the longest time for the inner wall temperature to change from −15 ℃ to 0 ℃ although the combination only had the 3rd largest total latent heat. Same conclusions were obtained with pure dodecane, which was longer than the unit with pure tridecane and tridecane located outside layer and dodecane inside. Placing the PCM with a higher phase change temperature in the outside layer reduced the heat transfer rate from the ambient to the internal core of the cold storage unit, leading to an increase in the cold storage period and improvement in the cold storage performance.

phase change materials; cold storage; multi-layer structure

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0043

TK 02

A

2095-4239（2017）04-696-05

2017-04-17；

2017-05-17。

广东省应用型科技研发专项（2016B020243008），广东省自然科学基金（2014A030312009）项目。

凌子夜（1989—），男，博士研究生，主要研究方向相变储能材料及其应用，E-mail：zyling@scut.edu.cn；

张正国，教授，主要研究方向相变储能系统，E-mail：cezhang@scut.edu.cn。