納米制冷劑蓄冷材料制備及其水合相變過程機理研究

氣體水合物（籠型水合物）在能源儲存、化合物分離和提純及氣體儲存等領域具有巨大的應用前景，制冷劑水合物是新型蓄冷相變材料。水合物快速、均勻生成是實現水合物技術實際應用的關鍵。制冷劑多不溶于水，生成水合物的誘導時間長、過冷度大，且反應轉化率低。該研究通過增大制冷劑客體分子在水中的溶解度實現水合物大量快速生成，制備了熱力學穩(wěn)定的R141b/H2O微乳液，R141b在微乳液中的水合反應誘導時間顯著縮短。觀察了微乳液體系水合物生成形貌，水合反應速度快、晶體均勻、填充率高。探索了微乳液體系納米制冷劑水合物晶體生長規(guī)律和機理?？疾炝薚20濃度、R141b含量和溫度等水合反應實驗條件的影響。 考察了極性溶劑對R141b/H2O粗混合體系水合反應的影響。添加四氫呋喃（THF）促進了R141b水合反應，探討了二元混合工質R141b/THF的蓄冷優(yōu)勢。在微乳液添加納米粒子構建納米流體，納米Al和Cu對R141b制冷劑水合反應促進效果顯著。微乳液中加入0.1 wt%的納米粒子Al和Cu后反應誘導時間縮短了60.6%，過冷度減小了55.3%。 利用混合量熱法測量了不同體系中生成R141b水合物漿體的蓄冷量，微乳液中生成水合物漿體蓄冷量高于粗混合體系中生成水合物漿體的蓄冷量。對制冷劑氣體水合物的分解條件進行了實驗測量和模型計算。采用定容法測量了水合物-制冷劑氣體-水三相平衡數據。搭建了相平衡實驗裝置，測量了R141b、R134a、R152a和R32的飽和蒸汽壓及其水合物的相平衡溫度和壓力，建立了制冷劑氣體水合物相平衡理論模型，相平衡模型預測值與實驗值平均誤差分別為1.9%, 3.21%, 4.03%以及1.03%。計算了水合物分解熱，計算結果與文獻結果總體平均誤差為2.87%。 為尋找可持續(xù)使用的制冷劑作為水合物蓄冷工質，測試了新型環(huán)保制冷劑的熱力學性質。采用振動弦法測量了HFO-1234yf和HFO-1234ze(E)的黏度，實驗結果的不確定度為2 %。利用基于硬球理論的模型對實驗數據進行了關聯計算，與實驗數據的平均絕對誤差分別為0.44%和0.59%。測量了HFE7、HFE7100、HFE7200以及HFE7500的黏度，總體置信區(qū)間為0.95的不確定度為2%，實驗結果與Andrade-Tait經驗方程相關性較高，平均絕對誤差分別為0.44%, 0.38%, 0.56%和0.56%。 2100433B

制冷劑氣體水合物具有獨特的相變性能，可實現能量儲存與合理利用，是新一代蓄冷工質，具有良好發(fā)展前景。針對目前制冷劑和水的相容性差、界面水合反應速率慢、傳熱傳質效率低、兩相混合能耗高的難題，該項目提出一種新型的納米制冷劑水合物相變蓄冷材料，即利用復配添加劑的特殊增溶作用提高制冷劑和水的兩相相容性，使制冷劑以納米尺度分散于水相中，形成熱力學穩(wěn)定的微乳液相變蓄冷材料。研究內容包括微乳液相變蓄冷材料的制備、表面活性添加劑的篩選及復配、納米制冷劑微乳液的界面性質、制冷劑水合物晶體成核與生長特性、水合反應動力學影響因素及強化機制、納米制冷劑水合物熱物性分析測試、水合反應過程熱力學特性等。目的是認識微乳液中烴類水合物生成機理，優(yōu)化納米制冷劑水合物蓄冷材料性能，促進制冷劑水合物均勻快速生成，提高制冷劑水合物的蓄冷效率。研究成果有助于推動制冷劑氣體水合物、微乳液反應、溶液結晶等領域的科學理論和應用技術的發(fā)展。

相變蓄能技術在建筑中的應用，可以減小室內熱環(huán)境的波動，同時通過對過剩熱量/冷量的吸收/釋放可達到建筑節(jié)能的目的。本研究采用熔融共混法，以高級脂肪酸和高碳醇為原料，差示掃描量熱法（DSC）為測試手段，研制出了一系列具有較高潛熱可適用于我國溫帶大陸季風氣候的夏季蓄冷相變材料。研究了以高分子材料為支撐包覆材料、微粒徑鋁粉為導熱系數增強劑的定型相變材料及其制備方法，而且對其進行了泄露性測試、SEM微觀形態(tài)特征掃描、紅外波普測試、DSC相變熱物性測試，并測試了添加鋁粉后的蓄放熱效率提高情況。研究分析了另一種封裝方式—相變蓄能板，將相變材料用鋁制板材封裝成堅固、安全、無泄漏的板狀結構，且相變蓄能板內部帶有肋片，在加固板材的同時提高了相變材料的吸放熱速率。 對兩個尺寸、圍護結構均相同的相變蓄能房間和普通房間開展三個不同工況的實驗測試，測試工況主要分為被動蓄能階段(自然蓄能階段)、主動蓄能階段(夜間通風階段和空調蓄能階段)。通過對比兩個房間的室內溫度、墻體溫度、空調耗電量的變化，得出在自然蓄能階段和夜間通風階段相變房間室內溫度較普通房間分別降低1.21℃、1.02℃，且這兩個階段效果相似。通過空調蓄能階段得出，空調夜間運行階段和空調全天運行階段相變房間日平均節(jié)能率分別為4.95%和2.03%。 基于實際相變傳熱過程中的部分相變現象，提出潛熱利用率的概念，建立一維顯比熱容相變墻體傳熱模型，編寫相變蓄能墻體傳熱模塊Type272，建立TRNSYS相變蓄能建筑模型。通過上述不同工況實驗數據驗證該模型具有良好的適應性，能較為準確地模擬出相變蓄能房間傳熱特性。最后利用既有TRNSYS相變模型分析相變溫度、相變潛熱、導熱系數對室內熱環(huán)境的影響，提出相變材料在不同氣候區(qū)夏季組合優(yōu)選方案。 本研究從實驗角度驗證了不同蓄能方式下相變材料在建筑中的應用效果，為后人的研究提供了參考。同時提出了一個簡便、適用性好的TRNSYS相變蓄能建筑模型，利用該模型能模擬大部分相變蓄能建筑使用情況。利用該模型分析出相變材料熱特性對室內熱環(huán)境的影響，提出了不同氣候區(qū)相變材料優(yōu)選方案，為今后相變建筑的設計、相變材料優(yōu)選提供了工具和工程參考。 2100433B

本項目研究組合式相變材料均勻并且等速率固液和固固相變過程的傳熱機理。提出了“均勻等速相變傳熱”的理論構想并研究實現該構想的條件，將結果用于研究采用現存材料組合達到等速相變的傳熱過程。該傳熱過程不僅能夠實現熱能的等速利用而且熱效率比傳統相變提高１５－４０％。研究結果可形成強化傳熱的一種新方法，具有重要的理論價值和應用潛力。

相變材料納米線是采用物理蒸發(fā)技術或納米加工技術制備出的線狀相變材料。作為存儲材料具有存儲單元尺寸小、功耗低、速度快等優(yōu)點，可望用于高密度、高速、大容量相變存儲器。