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建筑节能用相变储能材料的热物性研究.pdf.doc.doc

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2017-09-30 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《建筑节能用相变储能材料的热物性研究.pdf.docdoc》,可适用于考试题库领域

建筑节能用相变储能材料的热物性研究pdfdoc建筑节能用相变储能材料的热物性研究重庆大学硕士学位论文(学术学位)学生姓名:杨飞指导教师:杨颖副教授专业:动力工程及工程热物理学科门类:工学重庆大学动力工程学院二O一四年四月ThermalPropertiesofPhaseChangeEnergyStorageMaterialforBuildingEnergyConservationAThesisSubmittedtoChongqingUniversityInPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofofEngineeringByYangFeiSupervisedbyAssociateProfYangYingSpecialty:PowerEngineeringandEngineeringThermophysicsSchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要随着社会的急速发展节约能源已受到全世界的普遍关注。在储能技术中利用相变材料的固液相变潜热来储存热能在诸多领域具有广阔的应用前景。相变材料在相变过程中可以储存和释放能量因而将相变材料应用到建筑围护结构中可以实现房间的智能调温提高房间的舒适性和能源的利用率。导热系数和相变温度是影响相变材料应用的重要参数,导热系数影响着相变材料的应用导热系数的大小直接关系到相变蓄能装置的蓄能和释能功率但是相变材料本身存在导热系数不高等缺点。因此测定相变材料的导热系数并采取一些措施来增强相变材料的导热性能已成为研究相变储能技术的必要环节。通过将相变材料掺加到水泥砂浆中制成应用于建筑的围护结构的相变储能砂浆板并对其热物理性能进行研究。本文采用癸酸、十六醇以及粉煤灰作为相变材料采用热探针法及数据筛选法来测定癸酸十六醇复合相变材料以及粉煤灰复合相变材料的导热系数。测试结果表明:相变材料在相变开始之前的固态阶段和相变结束之后的液态阶段的导热系数比较稳定并且固态的导热系数要稍高于液态的导热系数。通过在粉煤灰复合相变储能材料中加入不同质量分数的膨胀石墨来研究其导热性能的改善状况测试结果表明:掺加的石墨对粉煤灰复合相变储能材料的导热系数改善最为明显具有良好的经济性。通过在经过数据筛选的实验曲线图经过数据筛选后的线性曲线FigThelinearcurveafterdatafilteringFigThecurvewithoutdatafiltering重庆大学硕士学位论文复合相变储能材料导热系数的测定与分析表蒸馏水导热系数测定TableThethermalconductivityofdistilledwater初步选取数据得到的数据数据筛选数据后得到的数据y=xy=xλ=λ=n=n=r=r=sb=sb=蒸馏水在时的参考导热系数为:W(mK)从以上数据可以看出:实验数据经过筛选后斜率的相对标准差sb比初步选取的数据小了很多筛选后的相关系数r比筛选前大了很多。这说明数据经过筛选后实验曲线的线性比筛选前改善了许多。从导热系数的测量结果可以看出蒸馏水在时初步选取的的数据计算出的导热系数为W(mK)数据筛选后的导热系数为W(mK)而参考导热系数为W(mK)蒸馏水在的时候初步选取的的数据计算出的导热系数为W(mK)数据筛选后的导热系数为W(mK)而参考导热系数为W(mK)显然筛选数据后得到导热系数的误差更小得到的数值更接近真实值。甘油的导热系数测定(采集间距s电压V电流A)甘油甘油lnτslnτs图未经过数据筛选的实验曲线图经过数据筛选后的线性曲线FigThelinearcurveafterdatafilteringFigThecurvewithoutdatafiltering重庆大学硕士学位论文复合相变储能材料导热系数的测定与分析表甘油导热系数测定TableThethermalconductivityofglycerinum初步选取数据得到的数据数据筛选数据后得到的数据y=xy=xλ=λ=n=n=r=r=sb=sb=甘油在时的参考导热系数为:W(mK)甘油甘油lnτslnτs图未经过数据筛选的实验曲线图经过数据筛选后的线性曲线FigThecurvewithoutdatafilteringFigThelinearcurveafterdatafiltering表甘油导热系数测定TableThethermalconductivityofglycerinum初步选取数据得到的数据数据筛选数据后得到的数据y=xy=xλ=λ=n=n=r=r=sb=sb=甘油在时的参考导热系数为:W(mK)从以上数据可以看出:实验数据经过筛选后斜率的相对标准差sb比初步选取重庆大学硕士学位论文复合相变储能材料导热系数的测定与分析的数据小了很多筛选后的相关系数r比筛选前大了很多。这说明数据经过筛选后实验曲线的线性比筛选前改进了很多。从导热系数的测量结果可以看出甘油在时初步选取的的数据计算出的导热系数为W(mK)数据筛选后的导热系数为W(mK)而参考导热系数为W(mK)甘油在的时候初步选取的的数据计算出的导热系数为W(mK)数据筛选后的导热系数为W(mK)而参考导热系数为W(mK)显然筛选数据后得到导热系数的误差更小得到的数值更接近真实值。αAlO的导热系数测定(采集间距s电压V电流A)氧化铝氧化铝lnτslnτs图未经过数据筛选的实验曲线图经过数据筛选后的线性曲线FigThecurvewithoutdatafilteringFigThelinearcurveafterdatafiltering表αAlO导热系数测定TableThethermalconductivityofαAlO初步选取数据得到的数据数据筛选数据后得到的数据y=xy=xλ=λ=n=n=r=r=sb=sb=αAlO在时的参考导热系数为:W(mK)从以上数据可以看出:实验数据经过筛选后斜率的相对标准差sb比初步选取的数据小了很多筛选后的相关系数r比筛选前大了很多。这说明数据经过筛选后实验曲线的线性比筛选前改进了很多。从导热系数的测量结果可以看出αAlO重庆大学硕士学位论文复合相变储能材料导热系数的测定与分析在时数据筛选后的导热系数为W(mK)初步选取的的数据计算出的导热系数为W(mK)而参考导热系数为W(mK)显然筛选数据后得到导热系数的误差更小得到的导热系数更接近真实值。表各种标准物质导热系数的标定TableThethermalconductivitycalibrationofallkindsofstandardmaterials蒸馏水蒸馏水甘油甘油αAlO()()()()()测量次数数据筛选法测量结果标准值性对误差综合以上结果可知:通过对标准物质的测定可以看出采用热探针法测得的导热系数有一定的误差造成误差的原因主要有:理论模型与实际模型之间的模型误差因忽略热探针热容影响而导致的热容误差因忽略探针的热阻与周围介质的影响所导致的热阻误差因忽略高阶小量所导致的截断误差热电偶本身测温的延时性误差等。但采用热探针法结合数据筛选法所测量的物质的导热系数误差基本上能控制在以内这充分说明实验制作的热探针测试系统精度已经达到实验所要求的精度该系统可以对材料的导热系数进行测量。复合相变材料导热系数的测定实验材料的选择实验选取脂肪酸和脂肪醇等有机材料作为复合相变材料的原材料是因为脂肪醇价格便宜来源广泛潜热大熔点较高脂肪酸相变潜热小熔点低两者配合使用可以改善单一材料潜热小、熔点过高等问题。实验选取实验室研制的复合相变材料作为测试物质所选原材料的物理性质及来源如表所示:表两种材料的性质TableThecharactersofthetwokindsofmaterial熔点材料名称分子式纯度来源十六醇国药集团CHO癸酸国药集团CHO重庆大学硕士学位论文复合相变储能材料导热系数的测定与分析试样的制备试样一:选用癸酸、十六醇作为复合相变材料的原始材料采用熔融法制作出的相变材料中十六醇:癸酸=:经德国NETZSCHZZ公司生产的型号为DSCPC的差示扫描量热仪测试复合相变材料的相变初始温度为相变峰值温度为相变结束温度。试样二:复合相变材料与经处理过的粉煤灰混合粉煤灰和相变材料的复合采用熔融法。实验用的粉煤灰在使用之前经过机械粉磨加工成超细粉煤灰再经过、h的干燥处理除去其中的水分。取一定量的十六醇癸酸低共融有机相变材料添加一定质量的干燥后的粉煤灰将混合物放入恒温干燥箱中加热至融化后搅拌半小时后在密闭干燥环境中自然冷却。如此循环三次以上确保粉煤灰充分吸收相变材料制作出粉煤灰复合相变材料复合相变材料:粉煤灰=:经德国NETZSCHZZ公司生产的型号为DSCPC的差示扫描量热仪测试粉煤灰复合相变材料的相变初始温度为相变峰值温度为相变结束温度为。试样三:采用熔融法将粉煤灰复合相变材料分别与的石墨混合研究不同比例石墨对粉煤灰复合相变材料的导热性能的影响。癸酸十六醇导热系数的测定与分析相变材料的导热系数应考虑材料在固态、液态两个相态下导热系数的不同对于癸酸十六醇在之前为固态阶段之后为液态阶段我们主要测量这两个阶段的导热系数。。癸酸十六醇导热系数的测定(采集间距s电压V电流A)癸酸十六醇癸酸十六醇lnτslnτs图未经过数据筛选的实验数据图经过数据筛选后的线性曲线FigThelinearcurveafterdatafilteringFigThecurvewithoutdatafiltering重庆大学硕士学位论文复合相变储能材料导热系数的测定与分析表癸酸十六醇导热系数测定TableThethermalconductivityofdecanoicacidcetanol初步选取数据得到的数据数据筛选数据后得到的数据y=xy=xλ=λ=n=n=r=r=sb=sb=癸酸十六醇导热系数的测定癸酸十六醇癸酸十六醇lnτslnτs图未经过数据筛选的实验数据图经过数据筛选后的线性曲线FigThecurvewithoutdatafilteringFigThelinearcurveafterdatafiltering表癸酸十六醇导热系数测定TableThethermalconductivityofdecanoicacidcetanol初步选取数据得到的数据数据筛选数据后得到的数据y=xy=xλ=λ=n=n=r=r=sb=sb=癸酸十六醇在固液两阶段的导热系数的测定重庆大学硕士学位论文复合相变储能材料导热系数的测定与分析表癸酸十六醇在不同温度的导热系数TableThethermalconductivityofdecanoicacidcetanolindifferenttemperatureTλWmKTλW(m•K)如表所示在复合相变材料的相变初始温度之前和相变结束温度之后此阶段复合相变材料分别处于固态和液态复合相变的材料导热系数相对稳定且相变材料在固态的导热系数大于在液态的导热系数。粉煤灰复合相变材料导热系数的测定与强化近年来石墨材料作为与新型碳素材料得到飞速发展这主要是由于其具有导电导热耐腐蚀、抗冲击性能优良、耐高温、摩擦系数小以及各向异性等特点。石墨材料同时还具有多孔、疏松、吸附力强、比表面积大等优点。利用石墨作为强化传热材料可以大幅提高相变材料的导热系数最高可以提高几十倍所以多孔石墨是一种良好的强化有机相变材料导热系数的材料。石墨孔隙的大小、微观结构以及粒度尺寸等都是影响复合材料性能的因素,所以石墨的掺加原则是:掺加量最少但是能最大限度提高复合相变材料的导热性能,这主要是因为随着石墨含量的增加相变材料的含量降低相应的相变储能密度也会降低,并且掺加石墨后对相变材料热稳定性的影响也是亟待解决的问题。不同石墨含量的复合相变材料导热系数的测定表不同石墨含量的复合相变材料导热系数TableThethermalconductivityofcompositephasechangematerialswithdifferentgraphitecontent石墨量温度不同温度下复合相变材料的导热系数曲线如下图所示:重庆大学硕士学位论文复合相变储能材料导热系数的测定与分析温度图不同温度下复合相变材料的导热系数曲线FigThethermalconductivitycurvesofcompositephasechangematerialsindifferenttemperature从图可以看出粉煤灰复合相变材料的导热系数与癸酸十六醇的导热系数相比导热系数得到一定的提高这主要是由于粉煤灰的导热系数大于复合相变材料的导热系数掺加粉煤灰能起到强化传热的作用。从图可以看出粉煤灰复合相变材料的导热系数随着石墨含量的增加样品的导热系数呈逐渐增加。结合表和图可以看出在加入石墨时导热系数增加了加入的石墨时导热系数增加了加入的石墨时导热系数增加了加入的石墨时导热系数增加了。从加入的石墨到加入的石墨导热系数相对增加了从加入的石墨到加入的石墨导热系数相对增加了。虽然加入的石墨对样品的导热系数提高最多但是从加入石墨到加入石墨导热系数相对增加了仅仅并且相对粉煤灰复合相变材料其内部所含的癸酸十六醇复合相变材料显著减少不利于相变蓄能对于蓄能容量一定的相变材料来说相当于降低了其储热密度。而加入的石墨不但能显著增加粉煤灰相变材料的导热系数显著减小复合相变材料熔化过程中的热堆积现象而且对相变材料的蓄能容量影响相对较小有利于蓄能装置在实际使用过程中充分利用其内含相变材料的蓄能容量实际效果相当于增加其储热密度。在参考文献中作者利用在粉煤灰复合相变储能材料掺加~石墨进行凝固实验证明了添加石墨的粉煤灰复合相变储能材料凝固的速度最快。结合粉煤灰复合相变储能材料凝固实验和导热系数测定实验在实际应用中重庆大学硕士学位论文复合相变储能材料导热系数的测定与分析在粉煤灰复合相变材料中加入的石墨具有良好的经济性。材料的导热系数与石墨含量之间的拟合公式为:y=–xxy相变材料的导热系数W(mK)x相变材料中石墨的含量。本章小结本章通过建立热探针测量导热系数的实验装置采用数据筛选法对测试数据进行处理得到如下结论:()通过对标准物质蒸馏水、甘油、αAlO的导热系数测定测试数据与标准数据相比测试误差基本在以内该测试装置满足实验的测试要求()测定了癸酸十六醇复合相变材料在不同温度下的导热系数测试结果表明在复合相变材料的相变初始温度之前和在相变结束温度之后复合相变材料的导热系数比较稳定固态的导热系数稍大于液态的导热系数()粉煤灰相变材料的导热系数较小在W(mK)左右但是在掺加石墨后导热系数可以达到W(mK)左右并且掺加比例在时具有良好的经济性。重庆大学硕士学位论文粉煤灰复合相变储能材料应用性能研究粉煤灰复合相变储能材料应用性能研究研究相变储能材料的最终目的就是能够将其应用于实际的建筑结构中。相变材料在建筑结构上的应用有多种形式可以应用于相变采暖地板使室内水平面上的温度分布更加均匀也可以应用于围护结构中如建筑保温板天花板墙壁等本次试验主要研究将相变材料与水泥砂浆复合后应用于建筑物的围护结构。建筑物的围护结构在室内温度度较高的时候蓄存热量阻止室温的继续升高当室温降低的时候再将蓄存的热量释放出来阻止室温的继续降低。从而削弱室温波动提高室内热舒适度。所以通过对围护结构使用材料的优化设计对提高房间的舒适性及能量利用率具有重大的意义。为了能够营造健康舒适又节省能源的居住和工作环境围护结构应该满足房间对白天隔热和夜间保温的要求过去的传统方法是使用隔热保温材料与建筑材料结合起来应用到建筑物中其主要是通过增加空气间隙、减小导热系数等方式来实现建筑物的隔热保温但是不能在实现隔热保温的同时自动调节室内的温度。但是近年来研究人员将相变材料与建筑材料结合应用到建筑物中这样可以充分利用相变储能材料的高温蓄热低温放热的特点不但有利于建筑物的节能提高能源的有效利用同时还能自动调节房间内的温度真正实现建筑物的节能。在不考虑室内热源以及通过门窗能传入热负荷的情况下通过墙体传入热量是影响室内温度波动的主要因素在墙体围护结构中加入相变材料的目的就是平衡室内负荷和缩减此部分负荷。通过将相变材料加入到水泥砂浆中制备成相变储能砂浆制成的具有较高热容、蓄热性能较好的新型建筑材料。相变储能砂浆通过其中的相变材料实现热能的储存和释放。不但可将高峰负荷转移至低谷也可以均衡或部分消除采暖与空调负荷同时还能有效改善室内的热环境提高建筑物的舒适性。此外采用相变储能砂浆可以减小外墙厚度达到减轻建筑物自重、节约建筑材料、提高能源利用率的目的。本章主要研究将制备好的粉煤灰复合相变材料加入到砂浆中后对水泥砂浆热工性能的影响。实验主要测定砂浆的隔热保温性能、体积密度、导热系数、比热容以及蓄热系数等。相变储能砂浆的制备将粉煤灰相变材料按一定的比例掺加到砂浆中实验以粉煤灰相变材料按照质量百分比代替一定比例的细沙相变储能砂浆成型后一周后拆除模子放入恒温干燥箱养护天直到其完全干燥。重庆大学硕士学位论文粉煤灰复合相变储能材料应用性能研究相变水泥砂浆的配合比计算配用材料:细砂堆积密度为kgm号普通硅酸盐水泥粉煤灰复合相变材料纯净水。每立方米细砂用量测得细砂湿重G=g干重G=g含水率α=(G,G)G=细砂堆积密度ρs=kgm根据砌筑砂浆配合比设计规程水泥砂浆中细砂用量Qs=(α)ρs=kgm每立方米水泥用量砂浆的配制强度fm,的确定:fm,=fmkσ()式中:fm,砂浆配制强度精确至MPafmk砂浆设计强度等级精确至MPaσ砂浆现场强度标准差精确至MPaσ的取值按下表所示:表砂浆强度标准差σ选用值TableMortarstrengthstandarddeviationσchosenvalue砂浆强度等级MMMMMM施工水平优良一般较差每立方米砂浆中的水泥用量按下式计算:Qc,(fm,,B)()Afc,eQc每立方米砂浆中水泥用量精确至kgfce水泥的实测强度精确至MPafm,砂浆的配制强度精确至MPaA、B砂浆的特征系数A=B=–当水泥砂浆中的计算用量不足kgm时应按kgm采用。水泥的试配强度为MPa砂浆设计强度等级取M(一般建筑工程宜用M,M)施工水平一般则可算出每立方米砂浆中水泥的用量为Qc=kgm。水的用量重庆大学硕士学位论文粉煤灰复合相变储能材料应用性能研究需水量参照砌筑砂浆配合比设计规程中所列表所示:表每立方米水泥砂浆材料用量TableAmountofmaterialpercubicmeterofcementmortar强度等级每立方米砂浆水泥每立方米砂子用量每立方米砂浆水用用量(kg)(kg)量(kg)~M~Mm砂子堆积密度M~M~~M~值~M注:当采用粗砂或细砂时用水量分别取下限或上限表中水泥强度等级为级大于级别水泥用量取下限砂浆稠度小于mm时用水量可小于下限施工现场空气干燥或气候炎热时可酌量增加用水量按砂浆稠度要求根据经验选定。一般混合砂浆约为:,kgm水泥砂浆约为,kgm。综合以上条件粗略取水泥砂浆用水量为kgm。粉煤灰复合相变材料用量参照混凝土配合比使用手册混凝土中掺用粉煤灰可用超量取代法本实验用粉煤灰属于级粉煤灰按照《粉煤灰混凝土应用技术规范》(GBJ)中规定取代系数选fc=超量系数取Kc=。添加粉煤灰后水泥砂浆中水泥用量:C=Qc(,fc)=×=kg,,,水泥砂浆中中粉煤灰用量:F=KcfcQc=××=kg由于相变材料与粉煤灰复合后的质量比为:则水泥砂浆中添加粉煤灰复合相变材料的质量为kgm石墨占粉煤灰复合相变材料的比例为石墨掺加量为kgm。综上所述每立方米水泥砂浆中各材料质量配比如下表所示:表相变水泥砂浆的配合比TableThemixingratioofphasechangecementmortar含石墨粉煤灰复合相变材料细砂水泥水(kgm)(kgm)(kgm)(kgm)重庆大学硕士学位论文粉煤灰复合相变储能材料应用性能研究相变水泥砂浆试样的制备为了考察将相变材料添加到混凝土砂浆中的储热效果有必要对相变储能砂浆的抗压强度、体积密度、比热容、导热系数、蓄热系数、调温性能(温度)等参数进行测定。抗压强度的测试采用标准试件mm×mm×mm的正方体标准养护(温度、规定湿度:水泥混合砂浆相对湿度为,)d龄期的抗压强度平均值确定强度等级。调温性能的测试采用mm×mm×mm的试样调温性能的测试需要在试样定型时预埋设热电偶以确定试样内部的温度实验设计预埋三根热电偶热电偶埋设在试样的正中部位埋设深度分别为mmmmmm。自制的抗压强度和调温性能的试样如图和所示:ab图测定抗压强度所使用的试样FigThesampleusedtodeterminethecompressivestrengthab图测定调温性能所使用的试样FigThesampleusedtodeterminethetemperatureadjustingperformance重庆大学硕士学位论文粉煤灰复合相变储能材料应用性能研究本实验在测定砂浆抗压强度的时候需要对比掺加粉煤灰相变材料后对砂浆强度的影响。图中a所示的试样为mm×mm×mm的水泥砂浆试样b所示的试样为mm×mm×mm的相变水泥砂浆试样。图中a所示的试样为mm×mm×mm的水泥砂浆试样b所示的试样为mm×mm×mm的相变水泥砂浆试样。相变水泥砂浆试样在成型时先在聚苯乙烯模板中加入mm厚的相变水泥砂浆然后在振动台上振动使其上表面成为一个平面然后将第一根热电偶放入其中部而后再加入相变水泥砂浆按此分别在mm、mm分别埋入第二和第三根热电偶水泥砂浆试样亦按此方法制作。相变储能砂浆的调温性能测试为了考察将相变材料添加到水泥砂浆中的调温性能需要搭建试验台对其调温性能进行研究。测试原理:保持外界环境恒温用紧贴在试样上的恒功率均匀加热板对试样进行加热由于两者接触很紧在不考虑接触热阻的情况下相当于在试样的边界上加一个恒热流对水泥砂浆板和相变水泥砂浆板加热相同的时间由于恒热流的作用二者会对这个热流的热干扰产生响应通过对比二者的温度响应来表征两种板材的调温性能。测试原理如图所示:图测定砂浆调温性能的装置图FigTheinstallationdrawingusedtodeterminethetemperatureadjustingperformanceofcementmortar实验方法该实验采用自制的简易测试装置进行。实验器材包括:型号为A的数据采集仪、埋在试样中的T型热电偶、mm×mm的恒功率(W)加热板、计算机、密封胶、聚苯乙烯保温隔热板等。重庆大学硕士学位论文粉煤灰复合相变储能材料应用性能研究实验步骤:先制作一个内部尺寸为mm×mm的聚苯乙烯敞口小箱而后将mm×mm的恒功率加热板放置其内而后将测试试样(预先埋设三根经过校验的T型热电偶的mm×mm×mm试样)放置在加热板上方聚苯乙烯箱的上缘与测试试样上表面平齐缝隙用密封胶填充尽量使热量沿一个方向传递将制作好的实验装置放在一个恒温的空调()房间内温度调到实验所要求的初始温度连续稳定个小时使模型的初始温度与房间的温度一致开启加热板电源加热时间设定为min加热完毕后立即切断电源而后在恒温空调房间内自然冷却冷却时间设定为min。在加热和冷却的整个过程中采用A型的数据采集仪实时记录板材内部三个位置的温度数据采集仪记录数据的时间间隔为min。实验结果与分析水泥砂浆水泥砂浆相变储能砂浆相变储能砂浆时间min时间min图砂浆板第一点的调温性能曲线图砂浆板第二点的调温性能曲线FigThetemperingperformancecurveofFigThetemperingperformancecurveofmortarboardinthefirstpointmortarboardinthesecondpoint水泥砂浆相变储能砂浆时间min图砂浆板第三点的调温性能曲线FigThetemperingperformancecurveofmortarboardinthethirdpoint重庆大学硕士学位论文粉煤灰复合相变储能材料应用性能研究从上面三张图中可以看出:在相同的热负荷下加热和放热期间对三个测试点来说水泥砂浆板材的升温速率和降温速率是最大的掺加相变材料的相变储能砂浆板材的升温速率和降温速率明显都要低于普通板材这是由于当箱体内环境从较低的温度吸热并且开始升温时当温度升高到相变材料的相变温度点时储能砂浆板内的相变材料开始吸收热量并进行相变反应但此时温度并不会发生较大的变化所以相变储能砂浆板的升温速率会比单纯的水泥砂浆板的升温速率小。同理在相变储能砂浆板的降温过程中也会产生一个较小的温降速率。从上面三个图可以看出相变储能砂浆板和普通水泥砂浆板在相同的初始温度和相同的加热时间下升高到相同温度所需的时间也不同相变储能砂浆板所需的时间相对较长这样相变储能砂浆板相对于普通水泥砂浆板材就会在所用的时间上产生一个时间的平移量最大平移量为min。温度开始变化的时间有一定的滞后性并且离热源越远滞后的时间也相对越长。这是由于当箱体内温度升高到相变材料的相变温度点时相变材料产生相变反应会吸收一部分热量相当于阻止热量向外界传递。而单纯的水泥砂浆板基本上看不到这种变化。在对相变储能砂浆板材和普通水泥砂浆板材加热的时候由于相变储能砂浆板材和普通水泥砂浆板材升温速度不同导致二者在相同加热时间内所能达到的温度也就不同在相同的初始温度和相同的加热时间内相变储能砂浆板材能达到的最高温度要明显低于普通水泥砂浆板材并且离热源越远所达到的最高温度也越低。通过调温性能测试表明添加粉煤灰相变材料的水泥砂浆板能起到很好的隔热保温的调温效果制备的相变储能砂浆板在改善室内环境及建筑节能方面有很大的应用潜力。相变储能砂浆的抗压强度测试实验使用全自动抗压抗折强度测定机测定水泥砂浆和相变储能水泥砂浆的抗压强度测定的试件为mm×mm×mm。标准养护(温度、规定湿度:水泥混合砂浆相对湿度为(,)d。分别测定三个试样然后取平均值得到的抗压强度如表所示:表抗压强度测试结果TableThetestresultsofcompressivestrength试样水泥砂浆相变储能砂浆抗压强度(MPa)平均值(MPa)重庆大学硕士学位论文粉煤灰复合相变储能材料应用性能研究从上面表中可以看出:相变储能砂浆的强度随着粉煤灰复合相变储能材料的掺加会下降这是由于加入粉煤灰复合相变储能材料后也会破坏原来细砂的较为合理的级配这会引起砂浆内部气孔率的增大导致砂浆的强度下降并且粉煤灰基相变材料的的强度较低无法与砂的强度相比。但是掺加粉煤灰复合相变储能材料后强度达到MPa能满足建筑围护结构强度M的要求。相变储能砂浆的体积密度测试材料在包含实体积、开口和密闭孔隙的状态下单位体积的质量称为材料的体积密度(volumedensity)。测试试样使用测试调温性能的试样首先将试件称重同时用直尺测量试件的尺寸计算出体积即可得到不同比例相变储能砂浆的体积密度。测试数据如下表:表体积密度测试结果TableThetestresultsofvolumedensity单位质量体积密度(kg)(kgm)(m)试样水泥砂浆板相变储能砂浆板从上表可以看出:粉煤灰复合相变储能材料的加入使得水泥砂浆的体积密度下降这是由于粉煤灰材料以及有机复合相变材料本身的密度要小于细砂的密度并且二者的加入也破坏了水泥砂浆的级配影响了水泥砂浆的密实性导致砂浆中存在的气孔数目增多从而会降低砂浆的体积密度。相变储能砂浆的导热系数测试导热系数是表征材料导热能力大小的物理量影响材料的导热系数的因素有很多概括起来主要有以下几个方面:)材料的密度:材料不同密度不同导热系数也就不同由于固体材料的导热能力比空气(λ=W(mK))大的多因而材料越致密密度越大其导热系数也越大:反之材料的导热系数也越小。对于含有空隙的材料来说其导热性能便取决于空隙特征和孔隙率。一般情况下孔隙率越小密度越大导热系数也越大。当孔隙率相同的时候由于空隙中空气对流的作用孔隙相互连通比封闭而不连通的导热系数要高孔隙尺寸越小导热系数越小。)湿度:一般情况下对孔隙不能完全封闭的多孔材料来说多孔材料受潮重庆大学硕士学位论文粉煤灰复合相变储能材料应用性能研究后其空隙中就存在水蒸气和水由于水的导热系数为WmK其大小是空气的倍。对于孔隙率较大的多孔材料来说材料会吸收更多的湿度的影响更加明显导热系数增大的也会更加明显。这主要是因为多孔材料比普通密实材料更多的孔结构多孔材料相对于密实材料更易吸收水分。)材料分子结构和化学成分:不同的材料其分子结构和化学成分也不同材料的导热系数差别很大。晶体结构材料的导热系数最大微晶体结构的次之玻璃体物质由于结构没有规律导致不能形成晶格所以其导热系数最小对于多孔材料来说因为这些材料的孔隙率较高颗粒间充满了空气此时气体的导热起主要作用而固体部分的作用就小了。所以对多孔材料来说无论其固体部分是晶格还是玻璃体对导热系数的影响都不大)温度:大多数材料的导热系数随温度的升高而增大在工程计算中导热系数常取使用温度范围内的算术平均值并将其视为常数。但只有当材料处于较低的温度或较高的温度下时温度的影响才比较明显而我们通常所研究的材料一般都在室温下应用所以温度对其导热系数的影响一般可以不用考虑。由于相变材料与粉煤灰、水泥砂浆、石墨混合后相变材料会被充分吸附在粉煤灰等多孔材料内基本不会发生对流作用经过恒温箱干燥后形成固体材料所以本课题采用热探针法及自制的经过校正的热探针测试系统分别对水泥砂浆和相变储能砂浆的导热系数进行测试恒温水浴的温度设定在将待测材料放在恒温水域中待温度稳定在一段时间后进行测量。()水泥砂浆的导热系数的测试水泥砂浆水泥砂浆lnτslnτs图未经过数据筛选的实验数据图经过数据筛选后的线性曲线FigThelinearcurveafterdatafilteringFigThecurvewithoutdatafiltering重庆大学硕士学位论文粉煤灰复合相变储能材料应用性能研究表水泥砂浆导热系数测定TableThethermalconductivityofcementmortar初步选取数据得到的数据数据筛选数据后得到的数据y=xy=xλ=λ=n=n=r=r=sb=sb=()相变储能砂浆的导热系数的测试相变储能砂浆相变储能砂浆lnτslnτs图未经过数据筛选的实验数据图经过数据筛选后的线性曲线FigThelinearcurveafterdatafilteringFigThecurvewithoutdatafiltering表相变储能砂浆导热系数测定TableThethermalconductivityofphasechangeenergystoragemortar初步选取数据得到的数据数据筛选数据后得到的数据y=xy=xλ=λ=n=n=r=r=sb=sb=从图~图中可以看出:水泥砂浆的导热系数随着粉煤灰复合相变储能材料的加入而降低其导热系数可以从普通砂浆的W(mK)降低到重庆大学硕士学位论文粉煤灰复合相变储能材料应用性能研究W(mK)下降的较大降幅较大但是与单纯的石墨粉煤灰复合相变材料相比导热系数还是有所增大。相变储能砂浆的导热系数能够大幅度的降低主要是因为粉煤灰和有机复合相变材料的导热系数均较小所以随着粉煤灰复合相变储能材料的加入水泥砂浆的导热系数会降低此外由于粉煤灰复合相变储能材料的加入水泥砂浆的体积密度会下降孔隙率也会增大这些因素都会引起导热系数的降低。相变储能砂浆的比热容测试比热容(specificheatcapacity)又称比热容量简称比热(specificheat)是单位质量的某种物质在温度升高时吸收的热量与它的质量和升高的温度乘积之比。比热容是表示物质热性质的物理量通常用―c‖表示单位为kJkgK材料的比热容是其储热能力大小的体现。比热容是物质的一种特性不同的物质有不同的比热容。同一物质的比热一般不随质量、形状的变化而变化。对同一物质比热值与物态有关同一物质在同一状态下的比热是一定的(忽略温度对比热的影响)但在不同的状态时比热是不相同的。在温度改变时比热容也随之有很小的变化但一般情况下可以忽略。气体的比热容和气体的热膨胀有密切关系在体积恒定与压强恒定时不同但对液体和固体二者差别很小。本课题用自行设计的简单的试验设备对水泥砂浆和相变储能砂浆的比热容进行了测定。实验装置如图和所示:图砂浆比热容测试原理图图砂浆比热容测试实物图FigTheprinciplediagramusedtotesttheFigThephysicalmapusedtotestthespecificheatcapacityofmortarspecificheatcapacityofmortar实验过程为:重庆大学硕士学位论文粉煤灰复合相变储能材料应用性能研究)在一个恒温空调房间内将测定完调温性能的砂浆仔细敲成碎块取一块热电偶仍埋入其中的砂浆碎块作为温度测量使用取其质量为kg)测定砂浆块的温度为T然后加入温度为T的温水ml同时水中放入一根热电偶用以测定水的温度盖上瓶盖)将另外一个保温瓶放入同量同温度的温水水中也放入一根热电偶用以测定水的温度盖上瓶盖。)将三根热电偶接入型号为A的数据采集仪对其温度进行实时测定测定温度的时间间隔设置为min待水中的热电偶和埋入试件内部的热电偶温度相同时记录此刻的温度T和另一保温瓶中水的温度T。热水的总热量损失Q总=m水cp水(TT)向外界损失的热量Q损=m水cp水(TT)根据水的总热量损失平衡原则则砂浆吸收的热量Q吸=m砂浆cp砂浆(TT)=Q总Q损即可得出材料的比热容c=×(TT)(TT)。每组待测试样测试三次测试结果取其平均值砂浆比热容的测试结果如下表所示:表比热容测试结果TableThetestresultsofspecificheatcapacity试样水泥水泥水泥相变储能相变储能相变储能砂浆砂浆砂浆结果砂浆砂浆砂浆TTTckJkgK平均值kJkgK从图中可以看出:随着相变材料的加入水泥砂浆的比热容显著增大增加了这主要是因为:首先相变储能水泥砂浆中含有粉煤灰复合相变储能材料相变材料在相变过程中能够吸收很多的热量这会增大砂浆的比热容其次粉煤灰复合相变储能材料的体积密度小于砂的体积密度粉煤灰复合相变储能材料掺加到砂浆中后会引起砂浆自身体积密度的降低对比热容的提高更加有利可以更好的提高比热容。相变储能砂浆的蓄热系数某一足够厚度的单一材料层当其一侧受到谐波热的作用时材料的表面温重庆大学硕士学位论文粉煤灰复合相变储能材料应用性能研究度将会按同一周期发生波动此时在材料表面会产生热流波幅和温度波幅两者的比值即为材料的蓄热系数(heatstoragecoefficient)。材料的蓄热系数是材料在周期性热作用下得出的一个热物理量。材料的蓄热系数一般用μ表示单位为WmK材料的蓄热系数代表了材料储存热量的能力。常见的墙体保温材料和砂浆的热物理性能参数如下表所示:表常见的墙体保温材料和砂浆的热物理性能参数TableThermalphysicalpropertyparametersofthermalinsulationmaterialandmortar容重导热系数蓄热系数类别名称序号(kgm)(W(mK))(WmK)粘土多孔砖炉渣砖灰砂砖煤矸石多孔砖煤矸石烧结砖粉煤灰蒸养砖粉煤灰烧结砖混凝土单排孔砌块混凝土双排孔砌块混凝土多孔砖烧结淤泥多孔砖烧结淤泥普通砖页岩模数烧结砖混合砂浆水泥砂浆石灰砂浆石灰石膏砂浆蓄热系数的计算公式为:μ=(λcρT)其中:T热波动周期一般情况下T取h表示材料的h蓄热系数c材料比热(kJkgK)λ导热系数(WmK)ρ表观密度(kgm)。砂浆的蓄热系数如下表所示:重庆大学硕士学位论文粉煤灰复合相变储能材料应用性能研究表蓄热系数的计算结果TableThecalculationresultsofheatstoragecoefficient参数λcρTμ)(h)(WmK)(kgm试样(W(mK))(kJkgK)水泥砂浆相变储能砂浆从上表可以看出:水泥砂浆在掺加粉煤灰复合相变储能材料后水泥砂浆的蓄热系数有所下降这主要是因为蓄热系数主要受到导热系数、比热容和体积密度的影响掺加粉煤灰复合相变储能后水泥砂浆的导热系数和体积密度都降低很多虽然比热容有所升高但是由于比热容的增大不足以弥补体积密度和导热系数的大幅降低所以相变砂浆的蓄热系数会稍有下降。相变储能砂浆的储热能力为了衡量相变储能砂浆的使用价值有必要对其在相变区间的储热能力进行估算。相变储能砂浆的储热能力由其自身的显热和其内部粉煤灰复合相变储能材料所储存的潜热两部分构成而普通水泥砂浆的储热能力仅有其自身的显热构成。普通水泥砂浆单位体积储存的热量为:Q=ρcp(tt)=××()=kJ相变储能砂浆单位体积储存的热量为:Q=ρcp(tt)=××()×=kJ由上面的计算结果可以看出在粉煤灰复合相变材料的相变区间时相变储能砂浆的理论储热能力是普通水泥砂浆的倍体现了水泥砂浆在掺加粉煤灰复合相变储能材料后有更好的储热能力展现出了相变储能砂浆的优越性。相变储能砂浆的渗漏性实验固液有机相变储能材料在实际使用时易发生泄漏为了确保相变储能砂浆材料在实际使用过程中性能的稳定必须要对其渗漏性进行评价依此判断其是否能满足其在建筑围护结构中使用的需要本实验采用扩散渗出圈法进行测试。实验步骤为:取一圆形滤纸确定其中心而后将一定量的相变储能砂浆粉末均匀分散在圆形滤纸中央直径mm的测试区域内制作三个试样将三个试样放置到恒温烘箱中在下恒温加热h然后取出试样观察滤纸上相变储能砂浆中相变材料的渗出程度并用游标卡尺测量其渗重庆大学硕士学位论文粉煤灰复合相变储能材料应用性能研究出测试区域外所形成的渗出圈的最小直径和最大直径再通过渗出圈的最小直径和最大直径计算出渗出圈的平均直径分别算出每个试样的渗出比取平均值。测试结果如表所示:表渗出比的测试数据TableThetestdataofexudatesratio试样最小直径(mm)最大直径(mm)渗出比()试样一试样二试样三三个试样的平均渗出比为:表渗出比和稳定性评价标准TableEvaluationstandardofexudationstability项目渗出比()稳定性,渗出极少非常稳定微量渗出稳定,少量渗出,基本稳定中量渗出不稳定,大量渗出,非常不稳定稳定性评价:相变储能砂浆中的有机相变材料的渗出度主要取决于多孔材料中微孔的毛细管张力微孔的毛细管张力越大对相变材料的吸附越强那么相变储能砂浆中的有机相变材料在实际使用渗出的程度越小。对照渗出比和稳定性的评价标准的渗出比属于微量渗出相变储能砂浆的性能比较稳定其渗出比和稳定性符合实际应用的需要。相变储能砂浆耐久性实验耐久性是指是材料抵抗自身和自然环境双重因素长期破坏作用的能力即保证其经久耐用的能力。相变储能砂浆材料在实际使用的过程中相变储能砂浆中的相变材料会不断发生熔化凝固的循环。凝固熔化循环常常伴随着体积变化产生较强的内部压力对复合材料的结构构成威胁所以需对相变储能砂浆在多次凝固熔化循环后的性能进行检测。本文中采用质量损失法即测量材料在凝固重庆大学硕士学位论文粉煤灰复合相变储能材料应用性能研究熔化循环后的质量损失评价其耐久性能。实验方法:用电子天平称取三份一定质量的相变储能砂浆材料放入的恒温干燥箱中min然后放入恒温环境()中放热。分别测试次、次、次吸放热后的质量并计算出质量损失率。表循环次、次、次的质量损失率TabThelosingofqualityevery、、circulates次循环次循环次循环质量损失试样质量质量损失质量损失(g)后质量(g)率()后质量(g)率()后质量(g)率()从表可以看出由于温度升高时多孔材料的毛细管张力降低相变材料从孔中泄漏出来而引起刚开始质量损失率增加较大并且随着循环次数的增加质量损失稍有增大但是后面质量损失率增加较小说明耐久性较好耐久性越好材料的使用寿命越长。本章小结本章通过对普通水泥砂浆和相变储能砂浆的调温性能、抗压强度、体积密度、导热系数、比热容、蓄热系数、储热能力、泄露性、耐久性的研究得到如下结论:()在相同的初始温度和相同的加热时间下相变储能砂浆板的升温速率和降温速率都要低于水泥砂浆板相变储能砂浆板升高到相同温度所需的时间相对要长于普通水泥砂浆板相变储能砂浆板所能达到的最高温度也比普通水泥砂浆所能达到的最高温度低。()水泥砂浆的抗压强度随着粉煤灰复合相变储能材料掺入有所降低由MPa降低到MPa但仍满足实际工程中M所要求的强度(MPaMPa)。()水泥砂浆的体积密度随着粉煤灰复合相变储能材料的掺入而降低水泥砂浆的体积密度在不掺加相变材料时可以达到kgm而在掺加粉煤灰复合相变储能材料后体积密度降为kgm相变储能砂浆能显著减轻建筑的承重。()水泥砂浆的导热系数随着粉煤灰复合相变储能材料的掺入由W(mK)降低到W(mK)导热系数下降的幅度为但与粉煤灰复合相变材料的导热系数相比有所增加。重庆大学硕士学位论文粉煤灰复合相变储能材料应用性能研究()水泥砂浆的比热容随着粉煤灰复合相变储能材料的掺入而增加由kJkgK增大到kJkgK增幅达到。()水泥砂浆的蓄热系数随着粉煤灰复合相变储能材料的掺入有所降低由WmK降低到WmK降幅较小。()在粉煤灰复合相变储能材料的相变温度区间水泥砂浆的蓄热系数随着粉煤灰复合相变储能材料的掺入由kJm达到kJm相变储能砂浆的储热能力是水泥砂浆的倍体现出了相变储能砂浆的优越性。()相变储能砂浆的渗漏性小性能稳定耐久性强有较长的使用寿命。重庆大学硕士学位论文结论及进一步工作建议结论及进一步工作建议本文利用热探针法及数据筛选法对癸酸十六醇以及粉煤灰复合相变储能材料的导热系数进行了测量获得其导热系数在相变前后的变化曲线针对癸酸、十六醇以及粉煤灰导热系数较低的特点通过采用加入一定比例的石墨来提高复合相变材料的导热性能在此基础上制作砂浆板对相变储能砂浆板的调温性能、抗压强度、体积密度、导热系数、比热容、蓄热系数等热工性能做了测试为其在建筑节能上的的实际应用提供了参考依据。本文主要得出以下结论:本文建立了热探针法测试相变材料导热系数的测试系统利用最佳线性原理的数据筛选准则通过对测试数据的开始阶段及结束阶段的数据进行合理的摒除和筛选在一定程度上提高了热探针法测量相变材料导热系数的精度采用该系统对蒸馏水、甘油、αAlO的导热系数进行测试误差在以内满足实验要求的精度。本文通热探针法和数据筛选法测试了癸酸十六醇和粉煤灰相变储能材料的导热系数测试结果表明相变材料在相变开始的固态阶段和相变结束的液态阶段的导热系数比较稳定并且固态的导热系数要稍高于液态的导热系数在粉煤灰复合相变储能材料里掺加、、、的石墨并对不同掺加比例的粉煤灰复合相变储能材料的导热系数进行了测试测试结果表明导热系数随石墨掺加比例的增加而增大但掺加的石墨对粉煤灰复合相变储能材料的导热系数可以达到W(mK)从经济性和能量存储的角度考虑掺加石墨的粉煤灰复合相变储能材料具有良好的经济性。建造水泥砂浆和相变储能砂浆板进行对比试验在同样的环境温度和加热时间下随着粉煤灰相变储能材料的掺加相变储能砂浆板的升温速率和降温速率都比水泥砂浆板的小与水泥砂浆板相比所能达到的最高温度相差可达时间平移量最大可以达到min制作的相变储能砂浆具有良好的调温性能。实验制作的用于建筑围护结构的相变储能砂浆板的抗压强度能满足围护结构的强度要求导热系数有所改善体积密度的下降有利于减少建筑物的承重蓄热系数与水泥砂浆的蓄热系数相当相变储能砂浆的比热容和储热能力大于水泥砂浆比热容和储热能力相变储能砂浆渗漏少性能稳定耐久性强。通过对本课题的研究虽然得到了上述有意义的结论但由于实验设备和时间的限制课题中还有很多值得去深入探讨的问题未能完成针对本文的工作对以后的工作建议如下:研究更好的测试有机相变材料的导热系数的方法并在提高测试精度和误重庆大学硕士学位论文结论及进一步工作建议差分析上多做努力。在实验条件满足的情况下在实际的建筑中对相变材料的热物理性能进行研究并与本文的测试结果进行比较找出偏差以便对模型进行改善。围护结构的蓄热系数与粉煤灰和相变材料的掺加比有关探索和研究在建筑围护结构中粉煤灰和相变材料的最佳掺加比。在实验室条件满足的情况下研究渗透压对材料导热系数的影响。开发性能更优、更廉价的相变储能材料。重庆大学硕士学位论文致谢致谢本文的研究工作是在我的导师杨颖老师的悉心关怀和精心指导下完成的本文从选题、实验直到最后论文的完成杨老师都倾注了极大的热情与心血每当我在实验中遇到无法解决的问题时杨老师都积极的帮我寻求解决的办法使我的实验能够继续下去。杨老师是一位博学多才气质典雅德才兼备品德高尚的优秀导师恩师的这些优秀的品质使我受益颇多。值此论文付梓之际谨向导师致以最崇高的敬意和万分的感谢~我想向动力学院的各位老师表达谢意在求学期间能在学习、生活上得到诸位老师的教导我感恩不尽。实验方面得到董昭等师兄的积极指导同时得到师弟、师妹们的大力支持他们在我实验中提了许多宝贵的意见帮助我解决了很多试验的难题使我顺利完成实验。在此特向他们说一声:―谢谢~‖祝愿他们都能早日实现自己的梦想。感谢一直支持和关心我的父母及家人虽然我身在远方但他们仍不断地在精神和物质上给予我力所能及的支持使我能顺利地完成学业真诚地向他们表示感谢~最后衷心的感谢在百忙之中评审论文的各位专家、教授~杨飞二零一四年四月于重庆重庆大学硕士学位论文参考文献参考文献DoCoutoAktay,KS,RTammeandHMüllerSteinhagen,ThermalconductivityofhightemperaturemulticomponentmaterialswithphasechangeInternationalJournalofThermophysics,():p陈则韶,葛新石,顾毓沁量热技术和热物性测定M安徽:中国科学技术大学出版社,TouloukianYS,etaThermalconductivityNewYork:McGrawHill,AssaelMJ,CharitidouE,NietodeCastroCAAbsoluteMeasurementofthethermalconductivityofalcoholsbythetransienthotwiretechniqueIntJthermophys,,():MenasheJ,WakehamWAAbsoluteMeasurementsoftheThermalConductivityofliquidsatPressureuptoMPaPhysChem,:谢华清,王锦昌SiC纳米粉体悬浮液导热系数研究硅酸盐学报,():第页CastroCAN,CaladoJCG,WakehamWA,etaAnapparatustomeasurethethermalconductivityofliquidsJPhysEsciInstrum,:NagasakaY,NagashimaAAsimultaneousmeasurementofthethermalconductivityandthethermaldiffusivityofliquidsbythetransienthotwiremethodRewSciInstrum,,:GrurovaAN,CastroCNThethermalconductivityofliquidhaloearbonsANagashirnaAProceedingsoftheFourthAsianThermophysicalPropeRiesConferenceC,Tokyo:,VanderHeldEFM,VanDruvenFEAMethodofMeasuringtheThermalConductivityofLiquidPhysics,,:GracemannP,etaMeasurementofThermalConductivitiesofLiquidbyanUnsteadyStateMethodNewYork:Academic,NagasakaY,NagashimaAAbsolutemeasurementofthethermalconductivityofelectricallyconductingliquidsbytransienthotwiremethodJPhysESciInstrum,,:谢华清,王锦昌,程曙霞等热针法测量材料的导热系数研究应用科学学报,,():黄国纲,周国燕,李彩侠等探针法测量低温下食品导热系数研究制冷学报,,()
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