氯化鎂蓄熱體系實(shí)驗(yàn)研究畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、氯化鎂蓄熱體系實(shí)驗(yàn)研究第一章 緒 論1.1 引言 冷藏運(yùn)輸業(yè)作為近來新興產(chǎn)業(yè)，與節(jié)能、食品安全、環(huán)保以及人民日常生活息息相關(guān)，因而其發(fā)展備受重視。本文從冷藏運(yùn)輸現(xiàn)狀出發(fā)，旨在開發(fā)出一種廉價(jià)、高效、無污染、性能穩(wěn)定、潛熱量大的無機(jī)固-液相變材料，并通過一定的措施延長其壽命、維持其穩(wěn)定的性能，以使其得到更廣泛的實(shí)際應(yīng)用，解決冷板冷藏車發(fā)展制約因素，提高其經(jīng)濟(jì)效益。1.2 相變材料概述1.2.1 相變材料的相變形式物質(zhì)的存在通常認(rèn)為有三態(tài)，物質(zhì)從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)叫相變。相變是物質(zhì)形態(tài)或組成的變化。相變過程一般是等溫或近似等溫過程。相變過程中伴有能量的吸收或釋放，這部分能量稱為相變潛熱。相變材料（

2、phase change materials）的相變形式一般可分為下面四類：（1）solid-solid 固-固相變（2）solid-liquid 固-液相變（3）liquid-gas 液-汽相變（4）solid-gas 固-汽相變一般來說，從（1）到（4）相變潛熱逐漸增大，由于第（3）、（4）類相變過程中伴有大量氣體的生成，相變物質(zhì)的體積變化很大。因此，盡管這兩類相變過程中相變潛熱很大，但在實(shí)際應(yīng)用中很少被選用。1.2.2 相變材料的分類熱能蓄存的方式主要有顯熱、潛熱和化學(xué)反應(yīng)熱三種。顯熱蓄存時(shí)，蓄熱材料在蓄存和釋放熱能時(shí)，只是材料本身發(fā)生溫度的變化，而不發(fā)生任何其他變化。但在釋放熱能時(shí)其溫

3、度發(fā)生持續(xù)變化，即不能維持在一定溫度下釋放所蓄熱能。要克服這一缺點(diǎn)，可利用潛熱蓄存。潛熱蓄存是利用蓄熱材料在發(fā)生相變時(shí)，吸收或放出熱量來蓄能或釋能?；瘜W(xué)反應(yīng)熱蓄存則是利用蓄能材料相接觸時(shí)發(fā)生可逆的化學(xué)反應(yīng)來蓄、放熱能。三種類型熱能蓄存材料中以潛熱型相變材料用的最多、最普遍，因而也最重要。在潛熱蓄存中以固-液相變形式最為常見，本文主要對(duì)固-液蓄冷相變材料進(jìn)行詳細(xì)闡述。1.3 低溫蓄冷材料存在的問題無機(jī)類相變蓄冷材料主要有兩個(gè)常見的問題:冷現(xiàn)象和相分離現(xiàn)象。過冷是指液態(tài)物質(zhì)冷卻到“凝固點(diǎn)”時(shí)并不結(jié)晶，而需冷卻到“凝固點(diǎn)”以下一定程度時(shí)才開始結(jié)晶的現(xiàn)象,在低溫?zé)o機(jī)鹽溶液相變材料中表現(xiàn)的尤為明顯。不同

4、的水合鹽類在不同的條件下具有不同的過冷度，如圖1所示，其中tm為材料的相變溫度，t即為相變材料的過冷度。過冷度的存在對(duì)相變材料的性能影響很大，這往往給實(shí)際應(yīng)用帶來不良的，有時(shí)甚至是致命的影響。針對(duì)這一由于成核性能太差而導(dǎo)致的過冷現(xiàn)象，通?？梢圆捎萌缦聝煞N方法解決這一問題： （1）加成核劑：針對(duì)過冷現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，可以想到消除的辦法就是給相變材料添加結(jié)晶核。一種辦法是加微粒結(jié)構(gòu)與鹽類結(jié)晶相類似的物質(zhì)作為成核劑。這類添加的成核劑與鹽類可以是在化學(xué)物質(zhì)組成上相類似，也可以是在晶體結(jié)構(gòu)上的相類似。（2）冷指法：另一種方法是保留一部分固態(tài)相變材料，即保持一部分冷區(qū)，使未融化的一部分晶體作為成核劑，這種方

5、法在文獻(xiàn)上稱為冷指法，非常簡單，但行之有效。圖1 相變材料凝固中的過冷現(xiàn)象示意圖 此外，對(duì)于無機(jī)相變材料來講，還存在相分離的問題，這主要存在于結(jié)晶水和鹽的熔融蓄熱過程，在本課題中影響不大。 第二章 實(shí)驗(yàn)原理及內(nèi)容2.1材料熱力學(xué)參數(shù)2.1.1相變潛熱相變潛熱就是物質(zhì)發(fā)生相變時(shí)吸收（或放出）的熱量。這些熱量將用來反抗分子引力做功，增加分子的勢能，即此時(shí)物質(zhì)吸收的熱量是破壞點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)所需的能量，使分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)起質(zhì)的變化，從固態(tài)的分子熱運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成液態(tài)的分子熱運(yùn)動(dòng)，同時(shí)改變物質(zhì)的狀態(tài)。所以晶體不僅有固定的熔點(diǎn)，而且還需要吸收一定數(shù)量的熱量來實(shí)現(xiàn)它的熔解。若物質(zhì)的熔解熱為 (單位j/g或j/kg)，則質(zhì)

6、量為kg的物質(zhì)在相變時(shí)吸收（或放出）的熱量為 （2-1）相變潛熱大小與相變材料和其相變狀態(tài)有關(guān)。2.1.2導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料傳導(dǎo)熱量能力的物理量。其物理意義是：當(dāng)材料兩面溫差為單位攝氏度時(shí)，在單位材料厚度，與熱流方向垂直的單位面積上，每單位時(shí)間內(nèi)所通過的熱量。即（2-2）式中 導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m)； 材料兩面溫差，； 材料厚度，m； 與熱流方向垂直的面積，m2； 時(shí)間，s影響相變蓄熱材料導(dǎo)熱性能的主要因素有氣孔率、化學(xué)礦物組成和溫度。由于相變蓄熱材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化而變化，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意給定值所對(duì)應(yīng)的溫度條件。此外，在采用導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行傳熱計(jì)算時(shí)，應(yīng)注意導(dǎo)熱系數(shù)僅適用于穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)

7、傳熱。2.1.3比熱容單位質(zhì)量相變蓄熱材料的溫度在常壓下升高1所需要的熱量，稱為相變蓄熱材料的比熱（容）。它是評(píng)價(jià)相變蓄熱材料熱性質(zhì)的重要物理量，是對(duì)熱工設(shè)備的熱過程和熱系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。比熱（容）取決于材料的化學(xué)和化學(xué)礦物組成，同時(shí)又是溫度的函數(shù)。工程上通常采用平均比熱（容）來表示。2.1.4熱膨脹性材料的長度和體積隨溫度升高而增大的性質(zhì)，稱為熱膨脹性。材料的長度和體積的熱膨脹表現(xiàn)出可逆性，即當(dāng)溫度回復(fù)至初始狀態(tài)時(shí)，其長度和體積亦恢復(fù)至初始尺寸。相變蓄熱材料的熱膨脹性，多用平均線膨脹系數(shù)或線膨脹率表示。（2-3）式中 平均線膨脹系數(shù)，1/； 初始溫度，； 終了溫度，； 對(duì)應(yīng)時(shí)

8、材料長度，mm； 對(duì)應(yīng)時(shí)材料長度，mm（2-4）式中 線膨脹率，%相變蓄熱材料的線膨脹系數(shù)和線膨脹率是溫度的函數(shù)。因此，它總是對(duì)應(yīng)于一定的溫度范圍。2.1.5溫度傳導(dǎo)性相變蓄熱材料的溫度傳導(dǎo)性是指：在不穩(wěn)定傳熱過程中，材料內(nèi)的溫度傳遞速度。即表示相變蓄熱材料在加熱或冷卻過程中，各部分溫度趨向一致的能力。溫度傳導(dǎo)性用導(dǎo)溫系數(shù)表示。（2-5）式中 導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s； 比熱，j/(kg)； 體積密度，kg/m32.2 蓄冷材料的篩選及確立作為冷藏運(yùn)輸蓄冷用的相變材料，應(yīng)滿足以下選用條件：（1） 熱性能要求：合適的相變溫度；較大的相變潛熱；較大的密度以保證體積能量密度大；比熱容較大；合適的導(dǎo)熱性能；

9、熔化溫度一致；相變過程中體積變化小。（2）化學(xué)性能要求：相變過程中不發(fā)生熔析現(xiàn)象，以免導(dǎo)致相變介質(zhì)化學(xué)成分的變化；必須在恒定的溫度下熔化及固化，即必須是可逆相變，不發(fā)生過冷現(xiàn)象（或過冷度較?。?；無化學(xué)分解，性能穩(wěn)定；無毒、無腐蝕性；不易燃、不爆炸、對(duì)環(huán)境無污染。（3）物理性能要求：相變過程前后的體積膨脹率較?。痪哂械驼魵鈮?；蓄熱材料本身的密度要大。（4）相變動(dòng)力學(xué)方面的要求：凝固過程中過冷度要很小或幾乎沒有；要有很好的相平衡性質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生相分離；較高的固化結(jié)晶速率。從熱力學(xué)的角度：熔解熱高的無機(jī)結(jié)晶水合鹽是那些輕原子量元素如h、b、c、o、na、mg、al、si、p、s、cl、k、ca、ti、

10、fe等組成的硼酸鹽、碳酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、氯化物、氫氧化物、氟化物等的水合鹽及它們的共晶鹽。尋找經(jīng)濟(jì)實(shí)用、性能穩(wěn)定、相容性好且無毒副作用的理想的相變材料，應(yīng)該具有高密度、高比熱、高熱導(dǎo)率、相變溫度恒定、較小的體積變化率、很小的過冷度等優(yōu)點(diǎn)。本文選用六水氯化鎂作為主要研究對(duì)象。氯化鎂是鹽酸鹽中少數(shù)可作為主蓄熱材料中的一種，為無色單斜晶系結(jié)晶或白色粉末，潛熱與顯熱容量大，是較理想的蓄冷材料。國內(nèi)外對(duì)以下幾種蓄能體系的過冷情況進(jìn)行了研究，見表1。表1 常用無機(jī)水合鹽相變材料性能參數(shù)物質(zhì)氯化鈉氯化鈣氯化銨氯化鉀硝酸銨碳酸鈉分子式naclcacl2nh4clkclnh4no3naco3融化溫度

11、，-21.2-55.0-15.8-11.1-17.4-2.1溶液濃度，%23.129.918.719.341.25.8融化潛熱，kj/kg236.1212.6314.0298.1286.4323.22.3 熱電阻的標(biāo)定在開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，要對(duì)制作好的熱電阻進(jìn)行標(biāo)定。本實(shí)驗(yàn)共有3根熱電阻，現(xiàn)將其中一根熱電阻為例進(jìn)行說明。將熱電阻的測溫點(diǎn)和溫度計(jì)測溫端放在同一個(gè)超精度恒溫水浴槽內(nèi)，放在同一處，數(shù)據(jù)采集儀讀取熱電阻測得的溫度值，穩(wěn)定后同時(shí)記錄熱電阻的溫度值和溫度計(jì)顯示的讀數(shù)。兩者同一時(shí)刻的讀數(shù)繪制成曲線如圖2所示。圖2 熱電阻標(biāo)定曲線由圖2可得，熱電阻與實(shí)際溫度之間呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，兩者相差的平均修

12、正值為-0.3。只要將熱電阻讀數(shù)值減去0.3，即為實(shí)際測得的溫度。2.4 dsc圖譜2.4.1 差示掃描量熱法概述差示掃描量熱儀（dsc）是準(zhǔn)確測量相變溫度，相變焓的一種精密儀器，它是在程序控制溫度下，測量輸出物質(zhì)和參比物的功率差與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。這些測量能提供關(guān)于物質(zhì)的物理和化學(xué)的變化（包括吸熱、放熱、熱容變化過程），以及物質(zhì)相轉(zhuǎn)變的定量或定性的信息。它分析速度快、樣品用量少，且制作簡便，對(duì)固體、液體皆適用，測溫范圍廣，定量能力優(yōu)良，在高分子方面已得到越來越廣泛的應(yīng)用，如，研究聚合物的相轉(zhuǎn)變，測定結(jié)晶溫度 、結(jié)晶度、熔點(diǎn)等結(jié)晶動(dòng)力學(xué)參數(shù)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，以及研究聚合、固化 交聯(lián)、氧化、分

13、解等反應(yīng)，并測定反應(yīng)溫度成反應(yīng)溫區(qū)、反應(yīng)熱、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)等。按照測量方法，dsc可分為熱流型和功率補(bǔ)償型，常用的是功率補(bǔ)償型。熱流型，是在給定樣品和參比物相同的功率下，測定樣品和參比物兩端的溫差。然后根據(jù)熱流方程，將（溫差）換算成（熱量差）作為信號(hào)的輸出。功率補(bǔ)償型則是在樣品和參比物始終保持相同溫度的條件下，測定為滿足此條件樣品和參比物兩端所需的能量差，并直接作為信號(hào)（熱量差）輸出。其工作原理如圖3所示。圖3 功率補(bǔ)償型dsc工作原理示意圖差示掃描量熱儀測定時(shí)記錄的譜圖稱之為dsc曲線，其縱坐標(biāo)是試樣與參比物的功率差，也稱作熱流率，毫瓦；橫坐標(biāo)為溫度或時(shí)間。一般在dsc譜圖中，吸熱（endo

14、thermic）效應(yīng)用凸起的峰值來表征(熱焓增加)，放熱（exothermic）效應(yīng)用反向的峰值表征(熱焓減少)。2.4.2 dsc測定熱物性參數(shù)dsc法測試相變材料的熱物性參數(shù)主要有相變溫度和相變潛熱。在可控溫程序下，連續(xù)測量和記錄輸入到試樣和參比物之間的能量差隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系，即為dsc曲線。根據(jù)dsc曲線上轉(zhuǎn)折點(diǎn)的溫度可確定試樣的相變溫度；根據(jù)dsc曲線的峰面積可確定試樣的相變潛熱。dsc曲線如圖4所示。為固化反應(yīng)初始溫度，為終點(diǎn)溫度，為峰值溫度，、兩點(diǎn)的連線為基線，dsc曲線上最大斜率點(diǎn)的切線與基線的交點(diǎn)為外推起始反應(yīng)溫度。圖4 dsc圖譜示意圖固化反應(yīng)熱（）采用積分法測定dsc曲

15、線與基線之間的面積而求得，以單位j/g表示。由圖4可知，固化反應(yīng)熱是由dsc曲線（由、組成）與基線之間的面積求得。2.5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)無機(jī)相變材料在相變過程中存在的過冷及相分離問題，尋找可以有效抑制過冷和相分離的添加劑，并通過實(shí)驗(yàn)確定添加劑的適當(dāng)添加量，同時(shí)保證蓄熱體系在反復(fù)的熱循環(huán)后仍能保持較穩(wěn)定的相變性能。實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容如下： （1）蓄冷性能測試。通過熔化凝固熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)測得其融點(diǎn)、凝固點(diǎn)和過冷度。 （2）選取合適的添加劑，改善其蓄熱性能。在常用的蓄熱材料成核劑以及可以嘗試使用的添加劑中選取有效的成核劑，降低過冷度。 （3）dsc測定相變過程中潛熱值。 第三章 蓄冷劑的分析計(jì)算3.

16、1 相變蓄冷原理物質(zhì)從液相轉(zhuǎn)變到氣相狀態(tài)時(shí)，要吸收大量的熱量(放出冷量)，即物質(zhì)的氣化熱；而物質(zhì)從固相轉(zhuǎn)變到液相狀態(tài)時(shí)，也要吸收大量的熱量(放出冷量)，即物質(zhì)的融化熱；物質(zhì)從固相轉(zhuǎn)變到氣相狀態(tài)時(shí)，也要吸收大量的熱量(放出冷量)，即物質(zhì)的升華熱。在物質(zhì)進(jìn)行相變時(shí)所吸收的這三種熱量，稱作物質(zhì)的潛熱。這種在相變時(shí)將冷量儲(chǔ)存起來，而在需要時(shí)又能將冷量釋放出來的方法，就是相變蓄冷。 先通過某種辦法將冷量傳給某種物質(zhì)，將其從氣相變成液相進(jìn)行冷凝，或?qū)⑵鋸囊合嘧兂晒滔噙M(jìn)行凝固，就可以說，已經(jīng)將冷量儲(chǔ)存到這種物質(zhì)中了。待需要使用冷量時(shí)，就可以通過某種方式，將其從液相轉(zhuǎn)變成氣相，或者從固相轉(zhuǎn)變成液相，或從固相直

17、接轉(zhuǎn)變成氣相(如干冰的升華)，在這個(gè)相變過程中，就可以把這種物質(zhì)儲(chǔ)存起來的冷量釋放出來。此即相變蓄冷的應(yīng)用過程。在理論上，同樣條件下，同一物質(zhì)的氣化熱與冷凝熱，其數(shù)值相等，過程相反；而同一物質(zhì)的融化熱與凝固熱，其數(shù)值相等，過程相反。3.2 蓄冷劑融點(diǎn)的確定蓄冷劑的融點(diǎn)通常受車廂內(nèi)食品儲(chǔ)存溫度限制，融點(diǎn)tr的范圍為t1trt2之間。通常冷藏汽車運(yùn)輸冷凍食品（如凍肉、凍魚等）可取車廂內(nèi)上限貯存溫度t1=-18,下限貯存溫度t2=-25；而運(yùn)輸冷藏類食品（如水果、蔬菜、蛋類等）可取上限貯存溫度t1=4、下限貯存溫度t2=-1?？紤]到吸放冷時(shí)的傳熱溫差，通常取t=35，則運(yùn)輸冷凍食品的融點(diǎn)tr=-21

18、-23，冷藏食品的融點(diǎn)tr=1-2。表4列出了一些食品對(duì)車廂貯存溫度的要求。表2 一些食品對(duì)車廂貯存溫度的要求食品名稱含水率%冰點(diǎn)貯存溫度豬肉3542-2.2-1.701.2凍豬肉-25-18鮮魚73-1-2-0.54火腿4754-2.2-1.701羊肉6070-1.70對(duì)蝦76-7.0凍家禽74-1.70鮮蛋70-2.2-10.5西瓜92-1.6243.3實(shí)驗(yàn)3.3.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑實(shí)驗(yàn)中所用到的實(shí)驗(yàn)儀器列于表3中，實(shí)驗(yàn)中所用到的化學(xué)試劑列于表4中。表3 實(shí)驗(yàn)儀器一覽表實(shí)驗(yàn)儀器生產(chǎn)廠家/品牌dc4020低溫恒溫槽上海精密儀器科技有限公司mdsc-q100差示掃描量熱儀美國ta公司分析天平（

19、精度為0.00001g）瑞士梅特勒-托利多電子天平pt100（0.5）熱電阻上海凱旭儀器儀表有限公司i7033數(shù)據(jù)采集模塊上海泓格科技100ml（1ml）燒杯上海玻璃儀器廠25150mm玻璃試管上海玻璃儀器廠試管架，攪拌棒，鑰匙上海金恰貿(mào)易有限公司100ml（1ml）量筒上海南匯光芒玻璃儀器廠表4 實(shí)驗(yàn)試劑一覽表 試劑規(guī)格生產(chǎn)廠家六水氯化鎂分析純上海埃彼化學(xué)試劑有限公司六水氯化鈣分析純上海凌峰化學(xué)試劑有限公司硼砂分析純上海埃彼化學(xué)試劑有限公司硅酸鈉分析純上海凌峰化學(xué)試劑有限公司氯化鈉分析純上海埃彼化學(xué)試劑有限公司聚丙烯酰胺分析純上海九邦化工有限公司尿素分析純上海埃彼化學(xué)試劑有限公司玻璃粉分析純

20、上海埃彼化學(xué)試劑有限公司3.3.2溫度測試系統(tǒng)本文實(shí)驗(yàn)裝置簡圖如圖5所示，玻璃試管內(nèi)盛裝pcm，試管中心處插一根pt100熱電阻測蓄熱體系的溫度變化，并通過數(shù)據(jù)采集模塊i-7033和數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)，利用組態(tài)王軟件記錄熔化-凝固熱循環(huán)的溫度和時(shí)間數(shù)據(jù)，同時(shí)繪制出熔化-凝固曲線。從組態(tài)王軟件采集的熔化-凝固數(shù)據(jù)曲線，可以直觀的看出蓄熱體系的成核性能和所對(duì)應(yīng)的過冷度。本實(shí)驗(yàn)采用了兩個(gè)i-7033熱電阻模塊，可同時(shí)進(jìn)行三組平行實(shí)驗(yàn)，可提高實(shí)驗(yàn)的精確性和可信度。本文采用融化-凝固實(shí)驗(yàn)對(duì)蓄熱體系進(jìn)行溫度測試。稱取濃度19.27%氯化鎂溶液樣品放入試管中，用硅膠塞將試管封住。將熱電阻插入玻璃試

21、管中，在-42的恒溫水浴中冷卻至樣品全部凝固，觀察并記錄樣品熔解過程的現(xiàn)象及相應(yīng)的溫度變化。在熔化完全后從恒溫水浴槽中取出試管，放入20的水浴中加熱融化，利用組態(tài)王軟件及溫度采集系統(tǒng)測定蓄熱體系的相變溫度、過冷度及相變持續(xù)時(shí)間。 1-計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 2-試管及試管塞 3-試管架 4-恒溫水浴槽 5-熱電阻 6-數(shù)據(jù)采集模塊圖5 熔化-凝固曲線測定系統(tǒng)圖3.3.3 測試結(jié)果在查詢資料和實(shí)驗(yàn)對(duì)比測試的基礎(chǔ)上，本課題選擇氯化鎂作為主要研究對(duì)象。通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，在不同濃度時(shí)，測定了氯化鎂的凝固溫度曲線圖，如圖6所示。 圖6 不同配比氯化鎂凝固溫度曲線圖圖6中，曲線a19.5的氯化鎂溶液，曲線b1

22、9.12的氯化鎂溶液，曲線c19.27的氯化鎂溶液。由圖可看出，在濃度為19.27%時(shí)氯化鎂的凝固溫度為-30，而過冷度最小，只有0.42，符合對(duì)無機(jī)蓄冷材料的要求。圖7 19.27%氯化鎂溶液凝固融化曲線圖 與曲線圖相對(duì)應(yīng)，通過分析多次試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)，得出氯化鎂的性能數(shù)據(jù)如表5。待添加的隱藏文字內(nèi)容1表5 19.27%mgcl2 溶液凝固點(diǎn)（）融點(diǎn)（）過冷度（）平均過冷度（ ）試驗(yàn)次數(shù)（次）相變潛熱（j/g）-29.91-31.12-29.80-310.21.30.42122203.3.4 成核劑對(duì)蓄冷體系的影響在實(shí)驗(yàn)室級(jí)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)條件下，通過一系列的測試研究發(fā)現(xiàn)，氯化鎂溶液樣品中的氯化鎂濃度

23、是材料熱力學(xué)參數(shù)的主要影響因素，濃度的不同使過冷度、相變溫度出現(xiàn)較大的差異。此時(shí)，添加適量的成核劑便能起到有效的降低過冷度的作用。表6中是濃度為23.3% 的氯化鎂溶液在不同添加劑是的實(shí)驗(yàn)記錄情況。 表6 添加劑對(duì)蓄冷體系的影響添加劑比例濃度相變溫度過冷度平均過冷度實(shí)驗(yàn)次數(shù)無-32-35.978.57.710玻璃粉0.5%-31.3-363.95.14.510硼砂1%-33-35.16.57.26.710 由上述實(shí)驗(yàn)可知，在氯化鎂溶液中添加玻璃粉可以有效的降低其過冷度，控制其過冷度在小于6的范圍內(nèi)，添加硼砂對(duì)抑制其過冷的效果不是很好。3.3.5 dsc測試氯化鎂蓄熱體系的相變潛熱測試采用了ta

24、公司的mdsc-q100型差示掃描量熱儀。該儀器融合了t零（tzero）技術(shù)和調(diào)制mdsc技術(shù)，提升了dsc的整體測量水平，使dsc獲得了前所未有的穩(wěn)定性和靈敏度。該儀器的其他性能如下所示：l 溫度范圍：-180500l 量熱動(dòng)態(tài)范圍：+/- 500 mwl 量熱精度（金屬標(biāo)樣）： 0.05 l 靈敏度：0.2微瓦l 相對(duì)解析度：2.1該系統(tǒng)主要由鋁制樣品皿和參比皿、程序溫度控制器、測溫和溫差熱電偶以及dsc信號(hào)電路組成。如果待測樣品不發(fā)生相變，那么待測樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品之間的溫差將產(chǎn)生一條近似的水平線；如果待測樣品發(fā)生相變，那么和樣品之間的溫差將產(chǎn)生一條偏離基線的曲線。直線和曲線之間的面積表示發(fā)

25、生相變所消耗的能量。結(jié)晶放出的焓值及熔化吸收的熱量可由該系統(tǒng)配備的軟件進(jìn)行分析處理，該軟件利用相變過程峰基線的解析式計(jì)算出基線，從而由曲線積分計(jì)算出峰面積，系統(tǒng)分析軟件分析處理所測樣品的相變潛熱值準(zhǔn)確可靠。mdsc-q100型差示掃描量熱儀的外形如圖8所示。右圖中所示是放置在測試室中的鋁制樣品皿和參比皿，紅色箭頭指示的為樣品皿。 圖8 mdsc-q100型差示掃描量熱儀氯化鎂蓄熱體系相變潛熱測試實(shí)驗(yàn)具體步驟如下：（1）校準(zhǔn)差示掃描量熱系統(tǒng)。試驗(yàn)在流速為50ml/min的氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行，升溫速率為5/min，用電子天平（精度為0.00001）稱取5mg的銦作為標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行基線校準(zhǔn)。（2）取直徑為

26、5mm的鋁盤一套稱取測試樣品。用精度約為萬分之一的電子天平稱量34mg樣品，放入鋁盤中加蓋后壓緊。另一個(gè)鋁盤作為參比，樣品鋁盤和參比鋁盤同時(shí)放入測試室。（3）相變潛熱測定。開啟測試軟件，設(shè)置升溫區(qū)間為-3920，升溫速率為10/min的升溫速率。測試結(jié)束后，利用mdsc-q100型差示掃描量熱系統(tǒng)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出其相變潛熱和融點(diǎn)，并對(duì)該數(shù)據(jù)加以分析研究。經(jīng)過幾次測試，得到了氯化鎂溶液dsc值的平均值為220kj/kg，每次測量結(jié)果上都有一定的差異，究其原因，從相平衡和結(jié)晶機(jī)理講，經(jīng)分析認(rèn)為是轉(zhuǎn)溶不完全，產(chǎn)生了包晶現(xiàn)象，影響了初始熔化熱值。消除包晶現(xiàn)象，加速平衡結(jié)晶的進(jìn)行，可以提高初始熔

27、化熱。本實(shí)驗(yàn)中影響dsc實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的因素還有：1）升溫速率一般主要影響dsc的峰值和峰形的大小和寬窄。dsc測試一般要進(jìn)行兩次升溫，第一次升溫消除熱歷史值后，再從非晶態(tài)按一定的程序進(jìn)行第二次升溫。升溫速率越大，一般峰溫越高，峰面積越大和峰形越尖銳。這種影響在很大程度上還與試樣種類和受熱轉(zhuǎn)變的類型密切相關(guān)。升溫速率對(duì)有些試樣相變焓的測定值也有影響，同時(shí)還會(huì)影響相鄰峰的分辨率。所以從提高分辨率角度考慮，采用低的升溫速率更有利。2）測量室內(nèi)氣氛和氣體性質(zhì)不同氣體導(dǎo)熱性不同，會(huì)影響測量室壁和試樣之間的熱阻，而影響峰的起始溫度和過程的熱焓值，動(dòng)態(tài)氣氛優(yōu)于靜態(tài)氣氛。采用動(dòng)態(tài)氣氛時(shí)，氣體流量一般為20ml

28、/min左右，流量太大容易使儀器噪音增加。導(dǎo)熱系數(shù)高的氮和氦有利于獲得高的分辨率。而導(dǎo)熱系數(shù)低的氣氛，如真空，檢測靈敏度高。3）試樣用量和取樣試樣用量不可過多，以免使其內(nèi)部傳熱慢、溫度梯度大而使峰形擴(kuò)大和分辨率下降，對(duì)于熱效應(yīng)小的過程或非均勻的試樣，試樣量可適當(dāng)增加。試樣量過大時(shí)，試樣內(nèi)傳熱較慢，形成的溫度梯度變大，升溫時(shí)試樣吸收的熱量不能使鏈段有足夠的結(jié)晶熱，使結(jié)晶不完善；而在熔融時(shí)因試樣量較多，使得熔程變寬，熔點(diǎn)溫度升高。試樣量少，得到的峰尖銳，分辨率也好，所以試樣量通常在5.0-10mg。dsc試樣用量很少，所以在試管樣品中取樣時(shí)，取樣位置的不同，測量潛熱值也會(huì)存在差別。第四章 冷藏車設(shè)

29、計(jì)4.1 冷板設(shè)計(jì)冷板制冷原理是將共晶鹽溶液裝入特制的冷板中，通過蓄冷和放冷過程實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。冷板制冷裝置的結(jié)構(gòu)形式可分為整體式和分體式。整體式裝有動(dòng)力裝置、制冷機(jī)組和冷板等，均置于車上；而分體式在車上僅裝有制冷機(jī)組和冷板，停車時(shí)，利用地面動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)組對(duì)冷板充冷。本課題采用分體式，其制冷機(jī)組本身不帶動(dòng)力，需依靠汽車發(fā)動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。其制冷機(jī)組包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝共晶鹽的成分要隨運(yùn)輸貨物適宜溫度的改變而改變，其融點(diǎn)一般比廂內(nèi)的溫度低10左右。冷板裝置在其長度和寬度一定的前提下，厚度越大，其內(nèi)部的共晶冰越難融解；而冷板的厚度越小，則冷板的體積越小，整個(gè)冷板的蓄冷量就越少。冷板制冷適于

30、中、輕型冷藏汽車的中、短途運(yùn)輸。冷板冷藏車制冷費(fèi)用低，節(jié)約能源，無鹽水腐蝕，不會(huì)造成環(huán)境污染。 冷板冷藏汽車是利用冷板制冷。冷板結(jié)構(gòu)如圖9所示。冷板1為板狀金屬密封容器，用鋁合金做成中空的殼體，內(nèi)鍍一層防腐蝕材料。蓄冷板內(nèi)裝有供蒸發(fā)用的金屬盤管3，管內(nèi)充有載冷劑乙二醇。盤管和板內(nèi)壁之間充滿了低融點(diǎn)共晶溶液（即蓄冷劑）?！俺淅洹睍r(shí)，制冷機(jī)壓縮盤管內(nèi)的制冷劑循環(huán)制冷，使蓄冷劑結(jié)成共晶冰而蓄存一定冷量，在運(yùn)輸途中依靠共晶冰的不斷融化，釋放“冷量”，以保持車廂內(nèi)溫度一定。1 蓄冷板外殼 2 蓄冷液3 蒸發(fā)器盤管4 制冷劑進(jìn)口快速接頭 5 制冷劑出口快速接頭 圖9 蓄冷板結(jié)構(gòu)冷藏車中冷板長約1.5m，寬

31、0.6m,厚0.2m，其數(shù)量和布置主要由車廂容積和蓄冷要求決定。同時(shí)，冷板上部可安裝風(fēng)機(jī)，強(qiáng)制廂內(nèi)空氣流動(dòng)，促使廂內(nèi)溫度趨于均勻。4.2 冷藏運(yùn)輸車隔熱車廂的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)4.2.1 隔熱車廂的結(jié)構(gòu)組成及形式隔熱車廂由頂板、底板（地板）、左右側(cè)壁、前壁、后壁（后門框）和門組成。通常它主要有主骨架、輔助骨架（俗稱“斷熱橋”）、車廂的內(nèi)外蒙皮等部分。隔熱車廂的結(jié)構(gòu)形式分為整體結(jié)構(gòu)和分片拼裝結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)今多采用分片拼裝結(jié)構(gòu)。分片拼裝隔熱車廂特點(diǎn)是：將車廂的六大組成部分（頂板、底板、左右側(cè)壁、前壁、后壁）和門分別采用聚氨酯或聚苯乙烯泡沫材料制成各自獨(dú)立的廂壁隔熱層，然后合適的連接方式（如鉚接、粘接、螺紋連接或

32、嵌合連接加鉚接等）將各片拼裝成完整的車廂。據(jù)加工工藝不同，分片拼裝隔熱車廂可分為硬聚氨酯注入發(fā)泡式和“三明治”板預(yù)制粘接式兩種?，F(xiàn)國內(nèi)外越來越多的冷藏保溫車生產(chǎn)企業(yè)采用“三明治”板拼裝結(jié)構(gòu)。 “三明治”板又稱復(fù)合板或夾層板。它是由上、下蒙皮和夾在中間的隔熱材料板組成。蒙皮材料多為鋁板、不銹鋼板等金屬板以及玻璃纖維類的工程塑料板。隔熱材料選用性能優(yōu)良的硬聚氨酯泡沫。 由于“三明治”板中沒有骨架，因此要求隔熱材料具有一定的強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度要達(dá)400kpa,抗拉強(qiáng)度為600kpa,抗剪強(qiáng)度為300kpa。各片“三明治”板預(yù)制成形后，先用粘膠劑將其拼裝成車廂，然后在車廂內(nèi)外拼縫處采用鋁型材將其鉚接成整體

33、。鉚接前應(yīng)將鋁型材和鉚接的廂壁接合面處涂刷丁基橡膠密封。采用“三明治”板粘接拼裝的隔熱車廂有如下優(yōu)點(diǎn)：1） 廂體外表平整、光滑，箱體質(zhì)量輕；2） 廂體結(jié)構(gòu)簡單，工序簡便，適合成批和多品種生產(chǎn)；3） 車廂斷熱橋設(shè)計(jì)更為合理；4） 車廂隔熱、密封性能好，熱工指標(biāo)可達(dá)國家專業(yè)指標(biāo)的a級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。4.2.2 隔熱車廂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、隔熱層1、隔熱層的基本要求1） 發(fā)泡均勻、密度?。?） 熱導(dǎo)率盡可能小，一般要求在0.045w/（mk）以下；3） 具有良好的熱穩(wěn)定性，在-4070的溫度范圍使用性能要滿足規(guī)定的要求；4） 具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，能承受惡劣道路條件下的振動(dòng)、沖擊而不受損或變形；5） 吸水性和吸濕性低

34、，耐腐蝕，抗凍性能好；6） 無毒無味，透氣性小，隔熱材料使用和燃燒時(shí)，不得分解出有毒和有害氣體；7） 價(jià)格低、易成形，可采用充填、澆注、噴涂等工藝形成車廂隔熱層。2、隔熱層材料采用聚氨酯泡沫隔熱材料，導(dǎo)熱系數(shù)為0.03w/(mk)，抗拉強(qiáng)度2500mpa, 抗壓強(qiáng)度2000mpa。日本研制的聚氨酯泡沫隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)在0.015w/（mk）以下。影響聚氨酯隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的因素有泡沫密度、氣泡直徑、氣泡獨(dú)立率、濕度、溫度等。3、隔熱層厚度隔熱層厚度由車廂的使用要求和所選用的隔熱材料而定。增加隔熱層的厚度可以降低傳熱系數(shù)，但隔熱層的厚度過厚會(huì)影響車廂的裝載容積。選用聚氨酯泡沫隔熱材料，厚度在5

35、0120mm之間，取100mm。在選擇車廂隔熱層厚度時(shí)，應(yīng)盡量采用均勻隔熱壁車廂。二、斷熱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 有低熱阻材料相連的車廂內(nèi)外壁所構(gòu)成的熱流區(qū)稱為“熱橋”，它可以提高車廂的隔熱性能。在“三明治”預(yù)制復(fù)合板式車廂斷熱橋結(jié)構(gòu)中，采用內(nèi)蒙皮與主骨架連接，外蒙皮與輔助骨架相連，而主、輔骨架采用雙組分低泡聚氨酯膠粘接。三、車廂門隔熱車廂根據(jù)裝卸貨物特點(diǎn)有后開門、側(cè)開門或頂開門。門的結(jié)構(gòu)形式有鉸鏈?zhǔn)?、折疊式、滑動(dòng)式等。本課題中為了卸貨方便共有9個(gè)門，其中8個(gè)側(cè)開門，1個(gè)后開門，采用鉸鏈?zhǔn)?。門鎖桿采用直徑為2030mm的鋼管或不銹鋼管，兩端焊有鎖扣。鎖扣座焊在車廂上下門框上，其形狀與鎖扣形狀相適應(yīng)，凸輪形

36、和圓柱形鎖扣座均銑有凸輪或圓柱鎖扣的滑槽，鎖桿轉(zhuǎn)動(dòng)使鎖扣在槽內(nèi)移動(dòng)而將門鎖緊。車廂門邊框與門框結(jié)合處或兩扇門的結(jié)合處裝有多層迷宮式橡膠密封條，保證車廂密封性，減少車廂漏熱的重要措施。為提高密封效果，車廂門與門框的配合處設(shè)計(jì)成斜面或階梯密封型，配合間隙為1020mm。4.3 隔熱車廂熱負(fù)荷計(jì)算車廂的尺寸：外尺寸4.1米1.7米1.7米內(nèi)尺寸3.9米1.5米1.5米（1） 從車廂隔熱壁傳入車廂內(nèi)的熱量q1(w)（4-1）式中：k隔熱車廂的總傳熱系數(shù)，w/（m2k）；取0.35 w/（m2k）； f隔熱車廂的傳熱面積，m2； tw隔熱車廂外的空氣溫度，； tn隔熱車廂內(nèi)的空氣溫度，；隔熱車廂壁的結(jié)構(gòu)

37、如圖10所示。1.5mm不銹鋼外蒙皮皮=15.21.5mm不銹鋼內(nèi)蒙皮=15.2100mm聚氨酯泡沫隔熱材料=0.029圖10 隔熱車廂壁的結(jié)構(gòu)隔熱壁的總傳熱面積 ：f=（4-2）式中：fw車廂外表面的總面積 fn車廂內(nèi)表面的總面積f=(4.11.7+4.11.7+1.71.7) 2（3.91.5+3.91.5+1.51.5）21/2 =30.65m2（2） 車廂的漏熱量實(shí)際計(jì)算中可用經(jīng)驗(yàn)公式：q2=（0.10.2）q1（3）太陽輻射的熱流量=kfy（ty-tw）t/24 （w）（4-3）式中：fy車廂受太陽輻射的面積，一般取車廂傳熱面積的35%50%，m2； ty車廂受太陽輻射表面的平均溫度

38、，取ty=tw+20，； t車廂每天受太陽照射的時(shí)間，取t=1214h。=0.3540%30.652014/24=50.06w（4） 裝卸貨物時(shí)開門傳入的熱量=f（q1+） (w)（4-4）式中：f開門頻度系數(shù)。設(shè)途中開門30次，取f=1。每次取10分鐘。（5） 車廂內(nèi)裝載貨物的發(fā)熱量=miqi (w)（4-5）式中：mi車廂內(nèi)某種貨物的質(zhì)量，kg；取3噸。 qi車廂內(nèi)某種貨物的發(fā)熱量，w/kg。鮮水果： q5= miqi=3t50w/t=150w 新鮮蔬菜：q5= miqi=3t40w/t=120w (6) 車廂廂體預(yù)冷時(shí)所消耗的熱量 q6q6=mxcxt/2t (w)（4-6）式中：mx車

39、廂需冷卻部分的質(zhì)量，kg； cx車廂需冷卻部分的平均比熱，j/（kgk）；t廂外氣溫和廂內(nèi)溫度之差，k；t車廂預(yù)冷時(shí)間，h。（7）車廂內(nèi)貨物預(yù)冷時(shí)攝取的熱流量=(mhch+mbcb)t/t (w)（4-7）式中：mh廂內(nèi)貨物的質(zhì)量，kg； mb廂內(nèi)包裝容器的質(zhì)量，kg； ch貨物的比熱，j/(kgk)； cb包裝容器的比熱，j/（kgk）,計(jì)算時(shí)取cb=2500j/（kgk）?？偀嶝?fù)荷逐時(shí)負(fù)荷如下：表7 凍畜禽肉的逐時(shí)負(fù)荷時(shí)間6:007:008:009:0010:0011:0012:00溫度27.628.529.630.631.532.433.2庫溫-20-20-20-20-20-20-20t

40、（）47.648.549.650.651.552.453.2k(w/m2k）0.350.350.350.350.350.350.35f（m2）30.6530.6530.6530.6530.6530.6530.65q1(w)510.63520.28532.08542.81552.47562.12570.70時(shí)間13:0014:0015:0016:0017:0018:0019:00溫度33.73433.933.433.132.331.4庫溫-20-20-20-20-20-20-20t（）53.75453.953.453.152.351.4k(w/m2k）0.350.350.350.350.350.

41、350.35f（m2）30.6530.6530.6530.6530.6530.6530.65q1(w)576.07579.29578.21572.85569.63561.05551.39維持十四個(gè)小時(shí)總負(fù)荷為q1=7779.583600/1000=28006.488kjq2=0.228006.488=5601.298kjq3=50.063600/1000=180.216kjq4=1（7779.58/14+50.06）1060=363.45kjq6=27.90.001578500.4610355/2=4155.81kjq7=（30003103+5002500）55=563750kjq1+q2+q

42、3+q4+q6+q7=602057.26kj表8 凍魚的逐時(shí)負(fù)荷時(shí)間6:007:008:009:0010:0011:0012:00溫度27.628.529.630.631.532.433.2庫溫-15-15-15-15-15-15-15t（）42.643.544.645.646.547.448.2k(w/m2k）0.350.350.350.350.350.350.35f（m2）30.6530.6530.6530.6530.6530.6530.65q1(w)456.99466.65478.45489.17498.83508.48517.07時(shí)間13:0014:0015:0016:0017:001

43、8:0019:00溫度33.73433.933.433.132.331.4庫溫-15-15-15-15-15-15-15t（）48.74948.948.448.147.346.4k(w/m2k）0.350.350.350.350.350.350.35f（m2）30.6530.6530.6530.6530.6530.6530.65q1(w)522.43525.65524.57519.21515.99507.41497.76維持十四個(gè)小時(shí)總負(fù)荷為q1=7028.663600/1000=25303.176kjq2=0.225303.176=5060.635kjq4=1（7028.66/14+50.0

44、6）1060=331.26kjq6=27.90.001578500.4610350/2=3778.01kjq7=（30003.2103+5002500）50=542500kjq1+q2+q3+q4+q6+q7=576973.08kj表9 鮮水果的逐時(shí)負(fù)荷時(shí)間6:007:008:009:0010:0011:0012:00溫度27.628.529.630.631.532.433.2庫溫5555555t（）22.623.524.625.626.527.428.2k(w/m2k）0.350.350.350.350.350.350.35f（m2）30.6530.6530.6530.6530.6530.6

45、530.65q1(w)242.44252.10263.90274.62284.28293.93302.52時(shí)間13:0014:0015:0016:0017:0018:0019:00溫度33.73433.933.433.132.331.4庫溫5555555t（）28.72928.928.428.127.326.4k(w/m2k）0.350.350.350.350.350.350.35f（m2）30.6530.6530.6530.6530.6530.6530.65q1(w)307.88311.10310.02304.66301.44292.86283.21維持十四個(gè)小時(shí)總負(fù)荷為q1=4024.96

46、3600/1000=14489.856kjq2=0.214489.856=2897.97kjq4=1（4024.96/14+50.06）1060=202.534kjq5=1503600/1000=540kjq6=27.90.001578500.4610330/2=2266.81kjq7=（30003.5103+5002500）30=352500kjq1+q2+q3+q4+q5+q6+q7=372897.17kj表10 新鮮蔬菜的逐時(shí)負(fù)荷時(shí)間6:007:008:009:0010:0011:0012:00溫度27.628.529.630.631.532.433.2庫溫10101010101010t

47、（）17.618.519.620.621.522.423.2k(w/m2k）0.350.350.350.350.350.350.35f（m2）30.6530.6530.6530.6530.6530.6530.65q1(w)188.80198.46210.26220.99230.64240.30248.88時(shí)間13:0014:0015:0016:0017:0018:0019:00溫度33.73433.933.433.132.331.4庫溫10101010101010t（）23.72423.923.423.122.321.4k(w/m2k）0.350.350.350.350.350.350.35f

48、（m2）30.6530.6530.6530.6530.6530.6530.65q1(w)254.24257.46256.39251.02247.81239.22229.57維持十四個(gè)小時(shí)總負(fù)荷為q1=3274.063600/1000=11786.616kjq2=0.211786.616=2357.32kjq4=1（3274.06/14+50.06）1060=170.352kjq5=1203600/1000=432kjq6=27.90.001578500.4610325/2=1889.01kjq7=（30004103+5002500）25=331250kjq1+q2+q3+q4+q5+q6+q7=347885.298kj4.4 蓄冷量匹配冷板采用高密度聚乙烯的外包裝，內(nèi)部填充相變材料蓄冷劑。其利用低谷電蓄冷，在車輛運(yùn)行中釋放冷量保證冷藏車的冷藏溫度。以庫溫為-20的