溫室無機相變材料性能優(yōu)化研究

摘要溫室蓄熱能力是影響溫室內(nèi)部環(huán)境的主要因素，相變材料蓄熱能力強，正得到越來越廣泛的應(yīng)用。Na2HPO4·12H2O相變溫度為35 ℃，十分適合應(yīng)用于溫室生產(chǎn)中，不過較大的過冷度使其應(yīng)用受到限制。該文對Na2HPO4·12H2O過冷度的降低進(jìn)行了研究，通過熔解-冷卻試驗及步冷曲線的測定，研究不同成核劑對Na2HPO4·12H2O過冷度的降低效果。結(jié)果表明，在20 gNa2HPO4·12H2O中同時添加0.6 gNa2SiO3·9H2O和0.6 g石墨可將Na2HPO4·12H2O過冷度降為0 ℃；同時復(fù)合體系進(jìn)行重復(fù)性試驗效果良好，進(jìn)行5次和10次循環(huán)后，過冷度仍為0 ℃，相變時間17 min左右，具有良好的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞設(shè)施農(nóng)業(yè)；溫室；蓄熱材料；Na2HPO4·12H2O；過冷度；成核劑

中圖分類號S26文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2015）26-366-03

Abstract Greenhouse heat storage capacity is the main factor that affects the internal environment of the greenhouse， the heat storage capacity of the phase change material is more and more widely used. The phase transition temperature of Na2HPO4·12H2O is 35 ℃， which is suitable for greenhouse production， but it is limited by the large degree of cold. By melting cooling experiments and step cooling curve could be used to study effects of different nucleating agent on Na2HPO4·12H2O supercooling reduction. The results showed that， adding 0.6gNa2SiO3·9H2O and 0.6 g graphite in 20 g Na2HPO4·12H2O can reduce the supercooling degree to 0 ℃， at the same time， the effect of the complex system is good， and the 5 and 10 cycles， the degree of the cold is still 0 ℃， the phase change time is about 17min， which has good stability.

Key words Facility agriculture； Greenhouse； Heat storage material； Na2HPO4·12H2O； Degree of supercooling； Nucleating agent

相變材料可分為有機相變材料和無機相變材料，其中無機相變材料具有潛熱大，導(dǎo)熱能力強等優(yōu)點，但相變過程中易發(fā)生過冷和相分離[1-2]。 Na2HPO4·12H2O作為典型的無機水合鹽類相變材料熔點為35 ℃，溶解潛熱265 kJ/kg[3]，但較大的過冷度使其應(yīng)用受到限制。為此，國內(nèi)外學(xué)者采取了多種方法來抑制過冷現(xiàn)象，如加入晶種[4]、攪拌溶液[5]和添加成核劑等[6]，而利用成核劑來抑制過冷是其中最有效的方法[7]。于長順[8]等人在Na2HPO4中添加蔗糖和硅酸鈉，降低其過冷度，并通過示差掃描量熱（DSC）法，計算和綜合評估玻璃化轉(zhuǎn)移溫度、相變溫度及相變熱，得到復(fù)合蓄熱材料蓄熱材料相變溫度在49～57 ℃，相變時間10～22 min。章學(xué)來[9]等人的研究表明，活性氧化鋁對降低Na2HPO4·12H2O過冷度有較好的效果，添加羧甲基纖維素鈉可改善蓄熱體系的穩(wěn)定性。

為進(jìn)一步降低Na2HPO4·12H2O過冷度，改善Na2HPO4·12H2O的相變性能，筆者通過熔解-冷卻試驗及步冷曲線測定，研究不同成核劑對Na2HPO4·12H2O過冷度的降低效果，并進(jìn)行了重復(fù)性試驗測試。

1試驗方法

1.1熔解-冷卻試驗設(shè)計稱取一定量Na2HPO4·12H2O樣品放入離心管中，同時添加一定比例的成核劑，混合均勻，將離心管蓋嚴(yán)。將測溫度探頭插入離心管樣品中部，在70 ℃的恒溫水浴中加熱至樣品全部熔解；然后從恒溫水浴槽中取出熔解完全的樣品，置于低溫冷卻循環(huán)泵20 ℃水中冷卻。觀察并記錄樣品冷卻過程中的現(xiàn)象及相應(yīng)的溫度變化情況。

1.2驗證性測試根據(jù)成核劑的使用效果，挑選最佳方案，進(jìn)行重復(fù)熔解-冷卻試驗，觀察復(fù)合體系的相變溫度、相變持續(xù)時間隨試驗次數(shù)的變化情況，測試復(fù)合體系的穩(wěn)定性。

2結(jié)果與分析

2.1Na2HPO4·12H2O相變溫度及過冷度測試結(jié)果通過熔解-冷卻試驗，得到試驗用Na2HPO4·12H2O相變溫度為35.7 ℃，過冷度為12.8 ℃，與文獻(xiàn)中提到的熔點35 ℃，過冷度13 ℃狀況符合，Na2HPO4·12H2O過冷現(xiàn)象明顯，因此，降低其過冷度對Na2HPO4·12H2O的應(yīng)用是必要的。

2.2成核劑對Na2HPO4·12H2O過冷度的影響在20gNa2HPO4·12H2O中分別0.2、0.4和0.6的Na2SiO3·9H2O、K2HPO4·3H2O、NaNO3、石墨進(jìn)行熔解-冷卻試驗，得到過冷曲線（圖1-4）。

在20 gNa2HPO4·12H2O中分別加入質(zhì)量組合為加入0.8 gNa2SiO3·9H2O+0.4 g石墨、0.6 gNa2SiO3·9H2O+0.6 g石墨和0.4 g Na2SiO3·9H2O+0.8 g石墨后，進(jìn)行熔解-冷卻試驗，測定結(jié)果作過冷曲線（圖6）。

2.5驗證通過成核劑的優(yōu)化篩選，得出Na2SiO3·9H2O+石墨組合的成核劑降低過冷度效果最好，因此選擇該復(fù)合體系中的最佳配方進(jìn)行，重復(fù)實驗，驗證復(fù)合體系的穩(wěn)定性。即在20 gNa2HPO4·12H2O中同時加入0.6 g Na2SiO3·9H2O+0.6 g石墨，測定過冷曲線，然后進(jìn)行熔解-冷卻循環(huán)試驗，分別測得循環(huán)5次和10次的過冷曲線，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，復(fù)合體系循環(huán)5次和10次之后過冷曲線變化很小，相變溫度維持在33.5 ℃左右。過冷度為0 ℃，放熱時間均為22 min左右。由此可知該復(fù)合相變蓄熱體系放熱穩(wěn)定，過冷度基本消除，且重復(fù)性好，性能穩(wěn)定。

3結(jié)論

（1）用Na2HPO4·12H2O作為相變蓄熱材料，Na2SiO3·9H2O和石墨是合適的成核劑，同時Na2SiO3·9H2O可增加粘稠度，石墨可增強導(dǎo)熱性能。

（2）在Na2HPO4·12H2O中同時加入Na2SiO3·9H2O和石墨，復(fù)合體系相變溫度為33.5 ℃，可將過冷度降為0 ℃，很好地解決了Na2HPO4·12H2O的過冷問題。對Na2HPO4·12H2O+Na2SiO3·9H2O +石墨的復(fù)合體系進(jìn)行重復(fù)性測試，結(jié)果表明該體系重復(fù)性好，性能穩(wěn)定。

（3）試驗所得復(fù)合體系相變溫度為33.5 ℃，當(dāng)溫室中溫度過高時，可吸收大量熱量，減小室內(nèi)溫度的變化幅度，可做進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁益民，閻立城，薛俊慧.水合鹽儲熱材料的成核作用[J].化學(xué)物理學(xué)報， 1996， 9（1）：95-98.

[2] 賀巖峰，張會軒，燕淑春.熱能儲存材料研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工， 1994， 14（8）：8-10.

[3] 方貴銀.蓄能空調(diào)技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[4] 徐云龍，劉棟.六水氯化鈣相變材料過冷性質(zhì)的研究[J].材料工程，2006（S1）：218-221.

[5] 潘利紅，黃立維，岳橋，等.振動對無機鹽相變材料過冷度的影響[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，36（6）：654-658.

[6] 徐玲玲，沈艷華，梁斌斌.Na2SO4·10H2O和Na2HPO4·12H2O體系的相變特性[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，27（4）：27.

[7] FELLCHENFELD H， SARLG S.Calcium chloride hexahydrate：A phasechanging material for energy storage [J].Industrial engineering chemistry product research development，1985，24：130-133.

[8] 于長順，王巖，尹宇新，等.對無機蓄熱材料磷酸氫二鈉性能的改進(jìn)[J].大連輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2004，23（4）：246-248.

[9] 章學(xué)來，盛青青，葛軼群.十二水磷酸氫二鈉相變性能改進(jìn)研究[J].化學(xué)工程，2009，37（5）：53-56.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2015年