相变储热材料熔融凝固实验研究外文翻译资料

相变储热材料熔融凝固实验研究

作者：H Ambarita^1*, I Abdullah², C A Siregar ³, R E T Siregar¹, A D Ronowikarto¹

¹苏门答腊大学机械工程，棉兰20155，印度尼西亚

²印度尼西亚棉兰理工学院机械工程学院

³苏门答腊大学机械工程

*himsar@usu.ac.id

国籍：印度尼西亚

出处：IOP系列会议:材料科学与工程

摘要：实验研究了相变材料(PCMs)的熔融和凝固过程。被测试的PCMs是石蜡和无菌酸，通常用于太阳能热水器。其目的是探讨PCM在其被熔化和固化时的特点。这些实验是在一个玻璃盒子里进行的。盒子壁的一边被加热，而对面的墙保持恒定，其他墙壁被隔热。加热壁的温度分别保持在80℃、85℃和90℃下。每个实验都要进行600分钟。记录温度，并用相机拍摄熔融和凝固过程。结果表明，熔化过程从蓄热器的上部开始。在凝固过程中，它从储热器的下部开始。石蜡作为一种热能储存器，石蜡比锡酸要好。这是因为石蜡可以储存更多的能量。在热源温度为90℃时，石蜡和硬脂酸储存的热能分别为61.84kJ和57.39kJ。因此，最好在太阳能热水器中使用石蜡作为太阳能。

1.产品简介

印度尼西亚是一个接受大量太阳辐射的热带国家，因为它位于赤道线。到达地球的太阳能可以用作可再生能源。太阳能的利用可以通过将辐射转化为热量来实现，这被称为太阳热系。太阳能热系统比使用光伏系统的转换更有效。通过使用最新的技术，光伏系统的效率只能达到17%，而太阳热系统的效率高达70%^[1]。太阳能热的最有前途的应用之一是太阳能热水器。然而在实践中，热水器可能需要额外的能源，如电力，以保持水温的一致性。这是因为太阳辐射具有间歇性的特性。间歇性故障的解决方案之一是安装热能储存材料（热能储存/TES）。相变材料(PCM)是最有效的TES。PCM可以进行熔化过程或冻结（凝固）的可逆过程，可用于保持一定时间内的恒温^[2]。

PCM作为TES是一种已知具有高存储容量^[3]的物质。当它在一定的温度下熔化和凝固时，它会使用潜热。这种材料被认为是取代太阳能热水器应用中电力作用的解决方案。所以它将克服或减少电力^[4]的使用。近年来，由于高密度储能和在高温下提供热量的能力，PCM受到了广泛的关注。这意味着，与蓄热系统^[5]相比，潜热蓄热系统只需更小的重量和体积的材料来存储一定量的能量。然而，在熔融和凝固过程中的传热过程还需要进行进一步的研究。在实际应用中发现了许多PCM材料。在太阳能热水器的应用中，石蜡是最常用的TES。在文献^[6,7]中发现了一些关于石蜡应用的研究。

通过实验研究了PCMs的熔融和凝固过程。被测试的PCMs是石蜡和无菌酸，通常用于太阳能热水器。其目的是探讨这些PCMs在熔融和凝固过程中发生时的特点。这些研究结果预计将提供有关开发适合印尼气候的高性能太阳能热水器的必要信息。

2.研究方法

2.1.实验装置

为了进行该研究，我们设计和开发了一种实验装置。该设备的主要部件是一个由PCM和水填充的容器。该容器由尺寸为300mmtimes;100mmtimes;100mm的矩形玻璃制成。使用玻璃的目的是使其易于观察。容器分为三个部分，由一块厚度为2mm、面积为100mmtimes;100mm的铝板阻挡。在这里，被测试的PCM材料是石蜡和硬脂酸。这些实验是在三种不同的热源温度下进行的，它们分别为90℃、85℃和80℃。每次实验中，测试PCM量为0.8kg。

容器的第一部分由热水作为热源填充。一个电加热器被用来控制其温度。电加热器的电源由温度控制系统进行控制。容器的第二部分由PCM材料填充。容器的第三部分由冷水填充，并通过流过消防栓的水来保持环境温度（270C-280C）。由于第一个容器由热水填充，第三个容器由冷水填充，而它们之间热量将通过PCM从热水转移到冷水中。为了探索该系统的特性，将使用9个不确定度为0.1℃的热电偶来测量PCM的温度。将使用数据采集系统、多通道数据记录器Agilent 34972记录温度，时间间隔为1分钟。PCM中每个热电偶的坐标如表1所示。

表 1 PCM中热电偶的位置

用照相机通过拍摄照片和视频来观察熔化和凝固过程。实验数据将提供与分析两种被测试的PCMs热量的吸收和解吸速度有关的信息。该实验装置详见图1。

图 1 实验装置和数据采集系统

如上所述，本研究测试了两种PCM，分别是石蜡和硬脂酸。这些PCMs是从印度尼西亚棉兰市的当地市场购买的。PCM的热物理性能见表2。请注意，有两个主要参数通常用于比较PCM作为热能存储材料的性能。它们是熔化的温度和潜热。详见表2，石蜡和硬脂酸的熔化温度分别为59.8℃和55.1℃。另一方面，石蜡和硬脂酸融合的潜热分别为190kJ/kg和160kJ/kg。这些事实表明，石蜡的熔点温度和潜热要高于硬脂酸。

表 2 相变材料在研究中使用的热物理性质

2.2.熔融和凝固过程

如上小节所述，采用电加热器保持容器第一部分的热水温度，所用电加热器的功率和电压分别为500瓦和220伏，加热单元结合热电偶作为温度控制单元，热水系统温度可固定在80℃、85℃和90℃，但该实验装置有温度摆动。例如，在热水温度固定在90℃的实验中，当热电偶显示温度为92℃时，电加热器将停止工作，并在88℃下恢复工作。因此，温度摆动为4℃。同样的原理也将发生在85℃和80℃的实验中。

在本研究中，将研究两个相变过程。第一个过程是熔化，第二个过程是凝固过程。在熔化过程中，热水被加热，直到达到固定的温度。测量温度，并绘制熔化过程。所有PCM熔化后， 该工艺将切换为凝固过程。在这里，热水的温度会自然下降。记录温度，如图为固化过程。

2.3.理论考虑

为了进行性能分析，将制定几个参数。第一个参数是潜热储存器。潜热储存(LHS)根据材料相从固体转变为液体或从液体变成固体时的吸热率计算。将材料从一相转换为另一相所需的热量表述如下：

(1)

其中，[J]，[J/kg]和m[kg] 分别为总潜热、潜热比异性和PCM的质量。该参数是PCM材料的熔化分数。当PCM处于固相或液相（相位没有任何变化）时，储存的热量可以通过

(2)

其中，Q [J]和[]分别是储存总热量和温差。

如果PCM从到加热，并且在这些温度之间可存储的总温度，PCM在温度下变化的相位可使用以下公式计算：

(3)

其中，[kJ/kgK]是材料的热能力。利用上述参数，将进行分析。

3.研究结果和讨论

进行了在80℃、85℃和90℃温度下的熔融和凝固过程的实验。对石蜡和硬脂酸都进行了测试。对熔化过程、凝固过程和总热的特点进行分析。

3.1.熔融过程的特性

这里将通过使用在熔化过程中捕获的图片来讨论熔化的特征。请注意，每项实验都要在10个小时内进行。实验中记录了PCM的图片和视频。每小时的石蜡图片见图2。

在图中，实验在90℃的热源温度下进行。热源位于左侧，冷介质位于石蜡的右侧。图显示，0分钟时所有石蜡都处于固相。60分钟后，大约25%的石蜡已经融化。可以看出，熔化过程从热源所在的石蜡左侧的上部开始。此外，当石蜡处于流体阶段时，由于浮力，它会移动到上部。这表明，液体石蜡中的传热过程是由自然对流控制的。120分钟后，石蜡的流体相模式与60分钟时的模式相似。不同之处在于，熔化的石蜡含量更大，约为50%。可以看出，固体石蜡和液体石蜡呈对角线分裂。180分钟后，大约60%的石蜡已经融化，固体石蜡存在于容器右侧的下部。240分钟到540分钟的石蜡也显示了同样的趋势。在这里，少量的固体石蜡仍然存在于容器右侧的下部石蜡。经过600分钟的实验，几乎所有的石蜡都被融化了。然而，容器中存在少量的固体石蜡。换句话说，熔化过程在10小时后不会完成。这是因为，容器右下角的石蜡没有接收到足够的热量。这一事实表明，熔化率非常低。

图 2 石蜡在热源温度下的熔融特性-90⁰C

硬脂酸的熔化特性见图3。在本实验中，热源温度也固定在90℃。可以看到，在60分钟后，超过25%的硬脂酸已经融化。融化的过程，类似于石蜡，开始于无菌酸左侧的上部。120分钟后，无菌酸的液相模式与60分钟时的模式相似。然而，融化的硬脂酸的含量更大，已经超过50%了。在实验结束时，在容器的角落里仍然有固体硫酸。

图 3 硬脂酸在热源温度下的熔融特性-90℃

石蜡和硬脂酸熔化特性的比较如下。石蜡和锡酸的熔化特性显示出同样的趋势，它从左上角开始，在容器的右角有少量的固体PCM。石蜡的熔化速率低于硬脂酸。

3.2.熔化过程的温度

图4显示了两个PCM在热源为90℃时熔化过程中的温度历史。石蜡和硬脂酸的温度分别由图4a和图4b所示。如前所述，本研究中使用了9种热电偶。这些热电偶可以分为三组，每组代表容器中的一部分。三对热电偶：T₁，T₄，和T₇，被放置并代表PCM的左侧（由红线显示）。

PCM的中间部分由T₂、T₅和T₈（以黑色的测线表示）显示。PCM的右侧由T₃、T₆和T₉（由蓝线表示）显示。如图4a所示，左侧平均温度大于中部，跟随右侧。这是因为热源位于PCM的左侧。图4b也显示了同样的趋势。

理论上，如果PCM从固相加热，其温度会随着时间的增加而增加，直到其熔点。在熔化过程中，所有PCM材料从固体变为液体后，其温度将恒定。熔融结束后，温度将随着时间的增加而升高。然而，该实验以理论上的一种模式显示出了不同的趋势。在图4a中，在前100分钟内，石蜡的温度随着时间的增加而升高。它从27℃的环境温度开始。在达到其熔点后，温度将保持恒定。这意味着熔化过程正在发生中。熔融结束后，温度不变，应升高。这一事实表明了它与理论事实之间的差异。这是因为PCM从容器右侧冷却，并保持一定量的PCM处于固相。换句话说，融化的过程从未结束。无菌酸也显示同样的趋势，如图4b所示。

图4a和图4b之间的比较显示了以下事实。石蜡的温度熔化量大于硬脂酸。硬脂酸的传热速率大于石蜡。与石蜡相比，硬脂酸的平均温度梯度更大，这证明了这一点。

(a)石蜡 (b)无菌酸

图 4 热源在90℃时熔化温度变化

图5显示了热源温度为80℃时两个PCM在熔融过程中的温度历史。石蜡和硬脂酸的温度分别由图5a和图5b所示。图中还使用了类似于图5所述的热电偶数量和分组。该图显示了与上一图相似的趋势。然而，这里的恒温温度较低。此外，并不是所有的热电偶都达到了熔化温度，特别是对于无菌酸。换句话说，大量的PCM不会融化。这一事实表明，通过使用温度为80℃的热源并不建议两者都使用 PCMs。

(a)石蜡 (b)无菌酸

图 5 热源80℃时熔化温度变化

3.3.凝固的温度

研究还记录了凝固的温度记录。对于90℃下的热源，石蜡和硬脂酸的温度历史记录分别见图6a和图6b。图6a显示，PCM的初始温度约为70℃。温度随着时间的增加而降低，直到达到凝固温度。理论上，凝固过程中温度会恒定。在这里，只有一小部分温度历史显示温度恒定不变。图6b也显示了同样的趋势，但初始温度不同。在图6b中，初始温度约为65℃。然而，硬脂酸的凝固时间比石蜡要长。凝固结束后，温度会逐渐降低。

(a)石蜡 (b)无菌酸

图 6 热水温度为90℃时凝固温度记录

(a)石蜡 (b)无菌酸

图 7 80℃热水凝固温度变化

80℃石蜡和80℃的固化温度历史分别如图7a和石蜡图7a和7b所示。可以看到，图6和图7显示了相同的趋势。差异仅在初始温度下。这是因为，热源的温度是不同的。这些

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