蓄冷系統(tǒng)材料正癸醇—膨脹石墨復(fù)合相變材料的研究

空調(diào)系統(tǒng)是商業(yè)建筑中能耗最高的設(shè)備之一。在高峰時(shí)段，轉(zhuǎn)移空調(diào)系統(tǒng)的部分負(fù)荷將有助于解決供電負(fù)載不平衡的問題。蓄冷系統(tǒng)（CTESS）是幫助空調(diào)系統(tǒng)在高峰時(shí)段轉(zhuǎn)移建筑物制冷負(fù)荷的有效方法。蓄冷系統(tǒng)通常利用相變材料（PCM）作為能量存儲介質(zhì)。在蓄冷系統(tǒng)中，利用冰作為相變材料進(jìn)行蓄冷，因?yàn)楸哂辛己玫臒崮艽鎯μ匦浴Ｓ捎诒睦淠郎囟龋?℃）和過冷的特性，冷卻器需要在較低的溫度下運(yùn)行才能將水轉(zhuǎn)化為冰。這使得冷卻器的性能系數(shù)（COP）降低而導(dǎo)致能源的浪費(fèi)。所以蓄冷系統(tǒng)中的相變材料需要具備較高的相變溫度（4～12℃）、較低的過冷度以及合理的熱量存儲特性。表1列出了可考慮用來替代水的潛在相變材料及其屬性。

表1 可替代水的相變材料及其屬性

在眾多的材料中，膨脹石墨（EG）具有高導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、高表面活性和優(yōu)異的吸附性，以及密度低、表面積大的特征屬性，故膨脹石墨（EG）能顯著增強(qiáng)相變材料的導(dǎo)熱性。因此，本文研究的重點(diǎn)是應(yīng)用EG改善正癸醇的導(dǎo)熱性。表1列出的材料特性表明正癸醇可以視為潛在的蓄冷介質(zhì)，因?yàn)樗哂行罾湎到y(tǒng)所需要的所有基本特性。目前，尚無關(guān)于使用正癸醇作為冷庫蓄冷材料的實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道。本文首次針對正癸醇-膨脹石墨的復(fù)合相變材料（CPCM）在蓄冷系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究報(bào)告，參見圖1、圖2。

圖1 復(fù)合相變材料準(zhǔn)備流程

圖2 試驗(yàn)流程圖

通過實(shí)驗(yàn)研究得出以下結(jié)論：

（1）正癸醇-膨脹石墨的復(fù)合相變材料（CPCM）的摻入率為84.99%，其導(dǎo)熱系數(shù)比原始相變材料高16.33倍，正癸醇和膨脹石墨具有良好的化學(xué)相容性。

（2）正癸醇-膨脹石墨的復(fù)合相變材料（CPCM）的蓄冷速率是正癸醇（PCM）的5.51倍。CPCM的蓄冷時(shí)間比PCM低81.85%，這意味著在存儲相同冷量的條件下可以將冷水機(jī)的運(yùn)行時(shí)間減少81.85%（參考圖3）。

（3）CPCM的釋冷速率是PCM的5.97倍。CPCM的釋冷時(shí)間比PCM低83.27%。CPCM的冷凝溫度比冰的冷凍溫度高約4.1℃。對應(yīng)卡諾式制冷機(jī)，其性能系數(shù)（COP）可提升15.15%（參考圖4）。

圖3 蓄冷特性示意圖（相變材料和復(fù)合相變材料的比較）

圖4 釋冷特性示意圖（相變材料和復(fù)合相變材料的比較）

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，PCM具有偏心熔化特性，而CPCM具有同心熔化特性。本文測試的CPCM在1000個(gè)熱循環(huán)中具有良好的熱可靠性。

（5）CPCM具有增強(qiáng)蓄能的特性，使較高的冷凝溫度和過冷度為零。使用CPCM可以有效存儲和回收冷能，因此本文討論的復(fù)合相變材料可以用于蓄冷系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

圖文來源：International Journal of Refrigeration, vol 123, pp 91-101, 2021. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2020.11.004

原標(biāo)題：Preparation, characterisation and energy storage performance study on 1-Decanol-Expanded graphite composite PCM for air-conditioning cold storage system

原作者：Solaimalai Raja Rakkappan, Suresh Sivan*, ShaikNaveed Ahmed, M Naarendharan, P. Sai Sudhir