基于多元共晶理论的复合相变蓄冷材料的热物性预测及验证

基于多元共晶理论的复合相变蓄冷材料的热物性预测及验证

李斌

广东美的暖通设备有限公司 广东佛山 528311

摘要：本文针对数据机房用相变蓄冷材料提出了基于多元共晶理论的复合相变材料热物性预测模型，并通过实验对预测结果进行了测试。结果表明：通过二元共晶模型可以很好地预测复合相变材料的热物性，预测与实测的相变温度偏差值均为1℃左右，相变潜热的偏差在4%以内，可以有效起到减少测试次数，降低成本的作用。

关键词： 多元共晶；相变材料；热物性测试

1.引言

相变储能技术对我国的”碳中和，碳达峰”有着巨大的价值，固液相变储能技术由于其潜热大，相变温度稳定成为了目前研究的热点[1]。在工程使用过程中，相变单质往往受限于相变温度或相变焓值，无法满足实际的使用需求。因此可以将多种相变单质进行混合制备复合相变材料，通过改变材料的种类和配比来满足相变温度和焓值的需求。目前，对于复合相变材料的制备存在有随机性强、测试数量大、测试成本高等问题。若是在测试之前对复合相变材料的热物性进行预测，就可以大大降低试错成本，加快材料研制速度。

2.多元共晶理论模型

当单质相变材料以适当的比例进行混合，具有相同的官能团且材料间不发生反应时，就形成了共晶系相变材料，其在发生相变时只有一个稳定的相变点、固态完全不互溶、液态完全互溶。图1为典型的二元共晶相图，图中L为液相、E为共晶、α为单质A的固相、β为单质B的固相、C为单质A的相变温度、D为单质B的相变温度。可以看出，由于加入了B，混合物的熔点从C点随着B摩尔分数的增大，沿着CE线下降至E；与之相对的，随着A的摩尔分数的增大，混合物的熔点也从D沿着DE线下降至E。两条线在E处交汇，A、B在此处同时结晶，因此E被称为共晶点。CE、DE线以上均为液相，因此CE、DE线被称为液相线；MN线以下均为固相，MN线也就被称为固相线。液相线通过式(1)所示的Schroder Van Laar方程计算得到[2]：

图1 典型的二元共晶相图

3. 数据中心复合相变蓄冷材料热物性预测

对于数据中心空调停机时的冷量供应，需要相变温度在25至27℃，相变潜热要大于150kJ/kg的相变材料。根据所需的温度范围对相变材料进行了初筛，然后选定了以癸酸（SA）和硬脂酸(CA)进行适配，制备满足要求的负荷相变材料，其中SA的熔化温度为30.75℃，凝固温度为26.7℃，相变潜热为160kJ/kg; CA熔化温度为53.04℃，凝固温度为52.05℃，相变潜热为189kJ/kg。

根据理论模型，分别计算癸酸与硬脂酸的液相线，并以此绘制CA-SA的二元共晶相图（如图2所示）。从图中可以看出，在癸酸质量分数为82.86%时，癸酸-硬脂肪酸复合相变材料达到共晶状态，此时复合相变材料的相变温度为27.25℃，相变潜热为161.85kJ/kg，满足数据中心供冷需求。

图2 CA-SA二元共晶相图

4. CA-SA复合相变蓄冷材料热物性测试

基于上述理论预测结果，对CA-SA复合相变材料进行了制备并通过热同步测试仪进行了测试，结果如图3所示。从图中可以看出，所制备的CA-SA复合相变材料的熔化温度为28.48℃，熔化潜热为154.53kJ/kg，凝固温度为25.33℃且凝固潜热为145.65kJ/kg。就理论计算值与实测值进行了对比发现，CA-SA相变材料的预测值与实测值在相变温度上仅偏差1℃左右，而在相变潜热上的偏差也在4%以内.因此说明，通过理论分析很好地预测了复合相变材料的热物性，对复合相变材料的预测可以极大地减少测试次数，从而降低成本。

图3 CA-SA DSC测试曲线

5.结语

通过二元共晶模型可以很好地预测复合相变材料的热物性，从而有效起到减少测试次数，降低成本的作用。

参考文献：

[1] 张奕, 张小松. 有机相变材料储能的研究和进展[J]. 太阳能学报, 2006, 27(007):725-730.

[2]张寅平, 苏跃红. (淮)共晶系相变材料融点及融解热的理论预测[J]. 中国科学技术大学学报, 1995, 25(4):474-478.