用于制冷和空调应用的低温相变材料（PCM）的实验评估

用于制冷和空调应用的低温相变材料的实验评价

Dario Guarda， Giulia Righetti *， Giovanni A. Longo， Claudio Zilio， Simone Mancin帕多瓦大学管理与工程系，意大利维琴察 36100

A R T I C L E I N F O

关键字：

  低温 PCM
潜热储能
  石蜡
  融化
  冻结
  腐蚀
  关键字：
低温相变材料
潜热储能
  石蜡
  融合
  冻结
  腐蚀

抽象

制冷、空调和热泵行业占全球用电量的 25 倍， $30 %$ 由于当前的电气化趋势，预计这一数字将迅速增长。为了提高这些系统的效率或最大限度地利用可再生能源，正在研究和推荐潜热储存系统。然而，缺乏基于可靠数据的可靠设计规则，可以帮助热专家设计高效且具有成本效益的潜热储能。本文遵循最近发表的一项工作（Longo et al.， 2022），其中测量和讨论了一些低温 PCM 的热物理和传输特性（即 $2 - 9^{\circ} C$ 熔化温度）。在本研究中，注意力集中在另外两个基本方面：相变材料与最常见建筑材料的相容性以及它们在固/液相变过程中的热行为。收集的结果将有助于在文献中添加当前不可用的数据，并突出有关所选 PCM 性能的有趣见解。

1. 引言

在过去的几年里，文献中关于相变材料（PCM）的出版物数量呈指数级增长（Liu et al.， 2022）。事实上，为了更好地利用可再生能源、回收更多的废热并提高能源系统的效率，人们越来越需要有效地储存热量（Mehling 等人，2022 年）。与目前的热存储方法（显热、热化学和潜热）相比，相变材料可以提供比显性存储更高的能量密度，与热化学材料相比，更容易控制和管理。

目前，几种具有较宽相变温度范围（即从

- 20^{\circ} C

到

+ 500^{\circ} C

）的材料可用作 PCM（Liu 等人，2022 年）。理想的相变材料应该是化学性质稳定、无毒、无爆炸性、无腐蚀性、丰富且价格低廉的。此外，其相变温度应与作
条件和过冷现象应该可以忽略不计。此外，其熔化潜热和导热系数应尽可能大，而熔化过程中的体积膨胀应尽可能低，以防止潜在的 PCM 泄漏。

理想的 PCM 仍然不存在;石蜡由于良好的材料相容性、无毒和相对较高的潜热而被称为最好的折衷方案之一。不幸的是，它们固有的低导热率问题是众所周知的，因此已经提出了许多增强技术，这些技术在几篇综述论文中得到了很好的恢复（Al-Maghalseh 和 Mahkamov，2018 年;Mahdi et al.， 2019;Rehman 等人，2019 年;Tao 和 He，2018 年）。

目前，许多相变温度高于

20^{\circ} C

相变温度的材料已被考虑，并且已经发表了大量关于它们的论文。例如，参见（Al-Maghalseh 和 Mahkamov，2018 年;Kalapala 和 Devanuri，2018 年;Khan et al.， 2016;Reddy 等人，2018 年）。

不幸的是，只有很少的研究对 PCM 可以

命名法

缩写

暖通空调（HVAC）供暖通风和空调
LTES 潜热储能
PCM 相变材料
  PLA 聚丙交酯
  光伏光伏
  TC 热电偶
TES 储热器

希腊符号

η

效率， [-]
罗马符号

d t

温差 [K]

t

温度

[^{\circ} C]

T

温度， [K]
  下标
  c 冷凝
  E 蒸发
  PC 相变
PCM 相变材料
用于低温和超低温应用，例如热通风和空调（HVAC）系统或冷链应用（Li et al.， 2012;Liu et al.， 2022;Sarkar 等人，2022 年;Veerakumar 和 Sreekumar，2016 年）。此外，这些工作中很大一部分涉及冷冻产品（负温 PCM），其中只有少数涉及温度范围

2 - 10^{\circ} C

，尽管该温度范围对于新鲜产品的冷链和住宅部门的空调至关重要（Calati 等人，2022 年）。最近，（Longo 等人，2022 年）在 2 到

9^{\circ} C

之间的温度范围内测量了 5 种 PCM 的热物理和传输特性。特别是，提出并讨论了液体密度、热容、动态粘度和热导率。

在其他少数作品中，几乎所有作品都涉及用于储存冷水机组或冷却系统产生的冷能的相变材料，通常由光伏（PV）板等可再生能源提供动力（Dong 等人，2022 年;Pirdavari 和 Hossainpour，2020 年;Qiao et al.， 2019;Rakkappan 等人，2021 年）或直接集成到冷却器或冰箱中的 PCM，如（Maiorino 等人，2019 年）和（Zhang 等人，2018 年）评论引用的其他工作。

1.2. 本文的新颖性

目前，公开文献中缺少关于熔融温度在该

2 - 10^{\circ} C

范围内的 PCM 主要性能特征的系统研究。例如，缺乏关于这些 PCM 与主要建筑材料相容性的实验数据。此外，没有数据比较相同工作条件下范围内

2 - 10^{\circ} C

多个 PCM 在充电和放电过程中的热特性。一些研究已经分析了金属嵌件对加速 PCM 相变过程的影响，但只有少数系统工作调查了不同几何形状对几种 PCM 的影响，并且没有一项专门涵盖目前的材料。

这项工作分析了该系列

2 - 9^{\circ} C

中七种商用 PCM 在两个月内与铜、铝、不锈钢和塑料的兼容性。此外，在这项工作中，定义并进行了系统的实验活动，以详细研究这些 PCM 在 4

40 \times 40 \times 60

mm 样品内的充电和放电阶段。这些样品是具有周期性 3D 的铝盒
铝晶格，专门设计用于增强传热，并对固/液相变现象提供有趣的见解，这些现象深受 PCM 的热物理和传输特性的影响。

根据总充电/放电时间和温度场（作为晶格几何形状和浴槽温度的函数）比较了相变材料的行为。这些新数据增加了目前文献中无法获得的信息，并鼓励设计人员在低温应用中使用 PCM。

2. 材料选择

选择了相变温度范围为 2 到

9^{\circ} C

的七种商业材料。表 1 列出了 PCM 列表、标称相变温度

t_{PC}

、PCM 类型和主要热物理特性。添加水数据作为参考。PCM 的指示性成本约为 € ，但这可能会因数量、市场和其他因素而异。

列出的热物理特性由制造商（Rubitherm 和 PLUSS Advanced Technologies）声明，但有时它们与实验测量的热物理特性略有不同。（Longo et al.， 2022）测量了其中一些热物理和传输特性，发现有时实验值与声明的值略有不同。特别是，表 1 还包括 RT2、RT5、OM5P、OM8 和 CR9 的测得液体热导率，以便与制造商声明的液体导热系数进行比较。（Longo 等人，2022 年）还测量了液体 PCM 高于其凝固温度的动态粘度。动态粘度非常重要，因为它会影响相变过程中液态相变材料内部的自然运动。事实上，高粘度会抑制自然对流，从而限制相变过程中的热传递。图 1 显示了使用 Longo 等人（2022 年）提出的相关性估计的 7 种 PCM 中 5 种的动态粘度。

所有相变材料的动态粘度都大于水的粘度，而 Crodatherm9.5 的值比水高 7.4 到 8.3 倍。OM8 的动态粘度略高 3 倍，而 RT2、RT5、OM5P 的动态粘度高 2.2-2.3 倍。

与以其出色的传热性能和低成本而得到普遍认可的水相比，几乎所有的相变材料都失去了吸引力。事实上，冰具有最高的潜热和导热性，密度大，动态粘度最低，使其成为最好的相变材料，因为与选定的 PMC 相比，它表现出最高的能量密度容量和卓越的传热能力。但是，比较还应包括相变温度，因为它会严重影响制冷或空调设备的能源效率，这些设备必须用于产生冷能，以储存在与拟议的相变材料一起运行的潜在热能存储中。

本文不讨论制冷装置与潜热储存耦合的案例研究。然而，以卡诺循环的理论例子来强调为每种应用选择具有最合适相变温度的 PCM 是多么重要，这很有趣。众所周知，卡诺循环不考虑不可逆性，并且在技术上不可行，但同样众所周知，它的行为反映了真实循环的行为，并且它的效率（方程（1））与真实循环的效率一样，随着蒸发温度的升高而增加。考虑一下制冷装置的情况，它必须在潜伏存储器中储存冷能。假设（以理想情况为例）一个卡诺循环，源在蒸发温度下，在冷凝温度下下沉。因此，冷却器的蒸发温度等于 PCM 的相变温度（

t_{PC}

）并保持蒸发器表面积恒定。可以选择水（

t_{PC} = 0^{\circ} C

）或带有

t_{PC} = 2^{\circ} C

的 PCM。卡诺效率（使用方程（1）中的定义计算）增加了

6 %

（水箱为 6.83，而

2^{\circ} C

熔点 PCM 为 7.24）。这可以节省大量的一次能源和成本，以及

表 1
制造商声明的主要热物理性质。Longo 等人（2022 年）测量的液体热导率也被报道用于比较目的。

	H2O/冰	RT2	savE-OM3	RT4	savE-OM5P	RT5	savE-OM8	CR9
制造商类型	无机	Rubitherm 有机物、石蜡	加上有机脂肪酸	Rubitherm 有机物、石蜡	Pluss 有机石蜡	Rubitherm 有机物、石蜡	加上有机脂肪酸	Crodatherm 有机植物油
名义 $t_{PC} (^{\circ} C)$	0	2	3	4	5	5	8	9
$t$ 熔化（ $^{\circ} C$ ）	0	2	4	4	6	5-6	7	9
$t$ 结晶（ $^{\circ} C$ ）	0	2	3	4	5	5-6	7.8	9
潜热（kJ/kg）	334	115	229	135	215	230	175	220
密度（L）（ $kg / m^{3}$ ）	999	770	835	770	763	760	1060	858
密度（S）（ $kg / m^{3}$ ）	919	880	912	880	727	880	1190	963
比热容（L）（kJ/kg）	4.22	2	1.91	2	5.95	2	2.11	2.1
比热容（S）（kJ/kg）	2.03	2	1.76	2	3.86	2	1.71	2.2
导热系数（ L ）（ $W / m K$ ）（）（制造商或 NIST 为水 @ $20^{\circ} C$ ）	0.597	0.2	0.146	0.2	0.37	0.2	0.118	0.15
导热系数（ L ）（ $W / m K$ ） Longo et al. （2022）@20 $^{\circ} C$ ）	0.598	0.169	-	-	0.173	0.163	0.170	0.158
导热系数（S）（W/m K）	2.2	0.2	0.224	0.2	ND	0.2	0.235	0.24

图 1.5 种不同 PCM 和水的估计动态粘度随温度的变化。来自 NIST 的水数据，而 PCM 曲线使用 Longo 等人（2022 年）提出的模型估计。
减少温室气体排放。这种理论考虑有助于突出 PCM 在制冷系统中实施的潜力。

η = \frac{T_{e}}{T_{c} - T_{e}}

3. 相容性测试

为了设计具有成本效益、耐用和高效的热系统，选择最合适的材料至关重要，以避免任何可能导致意外的不相容性
失败。出于这个原因，在两个月的时间间隔内，对七种相变材料与铝、铜、不锈钢和塑料材料（聚丙交酯 PLA）的相容性进行了实验研究。

在相容性测试活动之前和之后制备高度为 50 毫米、直径为 6 至 8 毫米的圆柱形样品，对其进行拍照和称重。它们在相变材料中浸泡 2 个月，并在恒温下避光保存

25^{\circ} C

。表 2 总结了样品在 PCM 中浸泡前后的重量，而图 2 显示了相容性测试后的样品图片。使用梅特勒-托利多 PM6100 标度（

\pm 0.01 g

不确定度）对样品进行加权。

可以得出结论，除了浸入 OM8 中的 PLA 样品通过吸收部分 PCM 从 2.90 克增加到 4.27 克外，重量保持不变。除了这种情况之外，照片还显示铜在与 OM8 和 CR9 接触时往往会轻微氧化。因此，OM8 似乎与塑料明显不相容。这意味着如果 OM8 必须与塑料材料接触工作，强烈建议进行额外的特定兼容性测试。

4. 实验设置

图 3 显示了实验装置的示意图。将每个 PCM 的相同体积（等于

6.4 \cdot 10^{- 5} m^{3}

）放置在具有外部尺寸的

40 \times 40 \times 60 mm

铝样品中（参见图 4 的样品图，包括详细尺寸）。使用隔热盖来防止任何液体泄漏并限制热量向环境中的损失。由于 PCM 的热膨胀，当 PCM 是固体时，PCM 液位和盖子之间存在几毫米的空气。使用两个由水和乙二醇（70/30% vol.）混合物进料的恒温浴槽（Lauda Eco RE620S）来保持选定的温度，稳定性为

\pm 0.02 K

。

表 2
相容性测试前后的样品重量以克表示。

	PLA		不锈钢 AISI 316L		到		跟
	以前	后	以前	后	以前	后	以前	后
RT2	2.89	2.9	7.78	7.77	10.22	10.22	6.84	6.84
OM3	2.91	2.92	7.65	7.66	10.32	10.31	6.53	6.53
RT4	2.90	2.90	7.73	7.71	10.04	10.04	6.91	6.91
OM5	2.91	2.91	7.81	7.8	10.38	10.37	6.92	6.91
RT5	2.90	2.91	7.80	7.80	10.57	10.57	6.96	6.97
OM8	2.90	4.27	7.46	7.46	10.06	10.05	7.09	7.1
CR9	2.91	2.92	7.95	7.95	9.83	9.82	6.83	6.83

图 2.样品在商用相变材料中暴露两个月后的图片。

图 3.实验装置的 2D 草图。

设计了四个样品，然后通过铝合金 AlSi10Mg-0403 的金属增材制造制造。其中三个具有 3D 周期性晶格结构，基本尺寸为 10,20 和 40 毫米，分别具有恒定孔隙率（空隙体积/总样品体积）等于 0.95 ，而第四个是空的。从这里开始，样本将被称为

10 mm, 20 mm, 40 mm

，和 reference （没有晶格结构的那个）。选择这些几何形状是为了提高复合系统 PCM/3D 铝结构的平均导热率，从而提高传热速率。图 4 显示了四个样品的主要尺寸。更多详细信息可在（Righetti et al.， 2020a， 2020b）中找到。

PCM 温度分布通过 5 T 型热电偶（不确定度

\pm 0.1 K, k = 2

）测量。第六个 T 型热电偶（称为“空气”）放置在盖子和

PCM 和另一名浸入恒温浴水中。图 3 还显示了热电偶的位置。

在充电和放电阶段对 7 种商用 PCM 进行了实验传热测试。充电阶段涉及 PCM 的凝固，从而产生冷能量储存，方法是将含有 PCM 的样品在室温下浸入设置为 3,6 或比冷 9 K 的恒温浴中

t_{PC}

。当插入 PCM 的热电偶低于（）

t_{PC} + 8 K

时，此阶段开始，当它们比低 2 K 时结束

t_{PC}

。放电阶段正好相反：当样品浸入比 3.6 或 9 K 温度更高的恒温浴中时开始

t_{PC}

，当相同的热电偶比 2 K 时结束

t_{PC}

，当它们比高 8 K 时结束

t_{PC}

。

图 4.四个样本的方案（上）和它们的图片（下）。

4. 实验结果

进行了几次新的实验测试，以研究 4 个样品中 7 种商用 PCM 在不同工况下的温度场和充放电阶段的持续时间。此外，还考虑了水作为标称相变温度为

0^{\circ} C

的参考 PCM。

在开始讨论相变过程之前，重要的是要强调，在低温相变材料的情况下，与高温相变材料通常发生的情况不同，充电阶段是凝固，而放电阶段是熔化。这是因为，凝固过程与冷能储存有关，而熔化过程则释放出冷能，因为传热流体通过将热量传递到熔化的 PCM 来冷却。

首先，表 3、4 和 5 恢复了当恒温浴温度（

d t

）之间的

t_{PC}

温差分别为 9,6 和 3 K 时所有测试条件的总长度（以分钟为单位）。相变材料的密度不同，因此样品中填充了不同数量的材料。因此，由于能量容量不同，因此无法对 PCM 进行直接比较。尽管如此，可以比较每种材料的循环行为，以突出不同热物理特性和 3D 结构的影响。

第一个值是充电时间（即凝固），而第二个值是卸料时间（即熔化），均以分钟表示。

表格中报告的数据必须根据

表 4
当 6 K 时

d t

，所有测试的充电（即凝固）和放电（即熔化）时间（以分钟为单位）。

$d t 6 K$	OM5	RT5	OM8	CR9
参考	131/97	126/106	-	-
40 毫米	70/63	71/65	-	-
20 毫米	27/40	25/37	-	-
10 毫米	18/22	17/23	17/27	21/24

表 5
当 3 K 时

d t

，所有测试的充电（即凝固）和放电（即熔化）时间（以分钟为单位）。

$d t 3 K$	RT2	OM3	RT4	OM5	RT5	OM8
参考	-	-	-	238/288	256/293	-
40 毫米	-	-	-	181/153	204/131	-
20 毫米	-	-	-	96/96	136/95	-
10 毫米	57/30	96/61	42/26	41/39	46/48	38/33

热物理特性见表 1 和图 1。考虑到参考样品，在没有任何增强表面的情况下，热导率显然具有很强的影响。事实上，普通相变材料的导热系数在液体和固体之间没有变化，不同的是，水固体的导热系数大约是液体的 3.7 倍。这转化为表 3 第一行中报告的参考空样品的结果;水（即冰）是唯一充电时间为 34'（即凝固）的 PCM

表 3
当 9 K 时

d t

，所有测试的充电（即凝固）和放电（即熔化）时间（以分钟为单位）。

$d t 9 K$	H2O	RT2	OM3	RT4	OM5	RT5	OM8	CR9
参考	34/92	150/51	124/73	117/50	86/62	93/63	101/66	147/68
40 毫米	22/67	65/31	76/38	56/31	52/42	51/43	56/32	78/40
20 毫米	17/37	18/21	28/26	17/20	14/25	18/25	22/22	33/21
10 毫米	13/34	13/10	15/18	10/12	13/14	13/15	15/17	15/15

比放电（即熔化）快得多（即大约 3 倍），92'，所有其他相变材料都表现出相反的行为，凝固速度比熔化阶段慢 1.3 到 3 倍。这些结果可以解释为，在水/冰的情况下，鉴于高固体热导率，传导是充电和放电阶段的主要传热机制。不同的是，在其他有机相变材料的情况下，正如预期的那样，充电阶段由固体传导主导，该传导受到低热导率的阻碍，而放电阶段则由自然对流加速，在这种情况下，这很明显。值得指出的是，所描述的结果是在恒定工作水浴与 9 K 的 PCM 温差下收集的。这意味着所有 PCM 的传热驱动力都是相同的。

表 3 还报告了 3D 金属晶格对 PCM 传热性能的影响;从水开始，随着孔径从 10 mm 减小到 40 mm，增强增加，但充电和放电阶段之间的比率几乎保持不变，这意味着相变机制不会发生变化。对其他 7 种 PCM 收集的结果的分析揭示了完全不同的行为;即使在 40 毫米尺寸的 3D 晶格的情况下也有明显的增强，它促进了充电和放电阶段，凝固过程的改进略有增加，其中粗铝纤维的存在改善了通过 PCM 的传导，但两相之间的比率（充电超过放电）下降了大约

30 %

1.2 到 2 之间。

当孔径减小到 20 mm 时，对于 RT2、RT4、OM5 和 RT5，充电阶段变得比放电更快，这意味着增强表面能够抵消低导热系数，甚至比自然对流更有效，自然对流部分被 3D 结构抑制。对 10 mm 样品的数据分析也证实了这一点：几乎所有 PCM 的充电阶段都比放电阶段快。CR9 表现出定性的相似行为，但在数量上有所不同。事实上，这种生物基相变材料具有最高的动态粘度，因此，即使在空样品中，自然对流也是有限的。因此，充电相比放电相保持更长的时间，孔径为 10 毫米，其中两个相花费的时间相同。这可以解释为，3D 结构增强了凝固和熔融阶段，但由于 CR9 的粘度如此之高，因此在熔融阶段不会受到很大的限制。

当将水浴与 PCM 的温差降低到 6 K，然后降低到 3 K 时，相变过程会更长，因为传热通常受到限制。在 6 K 时，充电和放电时间之间的比率呈现与 9 K 时显示的相同行为，值在 1.35 和 0.7 之间。10 mm 仍然是 3D 结构，在充电和放电阶段都表现出最佳性能，展示了最快的过程。在 3 K 时，相变过程变得更长;只有 10 mm 样品的相变时间保持在 1 h 以下，并且充电和放电时间之间没有任何明显差异。

一般来说，在某些情况下

37 %

，充电和放电时间之间的差异小于

20 %

。此外，考虑到 10 mm 的样品，放电时间通常比充电时间长（18 次中的 11 次）。另一方面，在参考样品中，放电时间短于充电时间：12 次中有 9 次。因此，可以得出结论，该结构的存在比放电更能加快充电过程。事实上，与 10 mm 样品相比，平均而言，充电时间缩短了约 8 倍，而放电时间仅缩短了 4 倍左右。

因此，在相同的作条件下，当墙壁周围有一层固体材料时，金属结构的效果可能会更强，从而减少对流效应。在接下来的段落中，将分别分析材料、工作条件和示例效果。以下所有图表都报告了 PCM 的平均温度

t_{PCM}

（平均
从 t 1 到 t 5 命名的 5 个热电偶中，并

t_{PC}

作为时间的函数。

如前所述，参比样品（没有金属晶格结构的样品）的熔化和凝固时间比其他样品长得多。它需要的时间是 10 mm 样品的 2.6 至 11.7 倍。另一方面，在比较不同的结构时，10 毫米的充电时间比 4.3 毫米减少了约 40 倍，与 1.7 毫米相比减少了约 20 倍。

然而，并非所有材料都表现出与 3D 周期性结构相同的充电时间效应。在相同

d t

（等于 9 K）下，对晶格几何变化最敏感的 PCM 是 RT4，当使用 10 mm 而不是 40 mm 时，它将时间缩短了 5.6 倍。而 CR9 在使用 10 毫米而不是 20 毫米时最敏感，时间减少了 2.2 倍。相比之下，对晶格几何形状最不敏感的材料是水，它仅将充电时间从 40 毫米缩短 1.7 倍到 10 毫米，从 20 毫米减少 1.3 倍到 10 毫米。

对于所有材料，放电阶段（熔化）的持续时间对所使用的几何形状不太敏感。平均而言，与 40 mm 相比，10 mm 的放电时间缩短了约 3.1 倍，与 20 mm 相比，10 mm 的放电时间减少了约 1.1 倍。在这种情况下，RT2 是减少时间最多的材料：从 3.1 毫米到 40 毫米 10 倍，从 2.1 毫米到 20 毫米 10 倍。再一次，水是缩短放电时间最少的物质：从 2 到 1.1 毫米和 40 毫米和 20 到 10 毫米，分别。

为了进行更详细的分析，我们选择将 RT4 与水进行对比，RT4 是晶格几何变化最敏感的材料之一，而水是最不敏感的材料。与 RT4 相比，水的导热系数要高得多，因此可以减少 3D 结构的影响。

图 5 显示了水和 RT4 在施加 a

d t 9 K

时完成充电（图 5a）和放电（图 5b）阶段所需的时间直方图，以分钟表示。

4.1. 材料的影响

该材料在充电/放电时间和温度分布中起着关键作用。图 6a 比较了当浴槽和

t_{PC}

浴槽之间的温差保持等于 9 K 时，20 mm 样品中 7 种材料（加上水）在充电过程中的平均温差（

t_{PCM} - t_{PC}

）曲线。图 6b 报告了放电阶段。

在相同的作条件下，较高的潜热材料（水、RT5、OM3，按降序列出）预计需要更长的相变时间。相反，测试表明 CR9 是充电时间最长的材料（即 33 分钟）。其次是 OM3 的 28 分钟和 OM8 的 22 分钟。因此，很明显，其他热物理特性也很重要，例如热导率。例如，由于固体的导热性几乎比其他材料高一个数量级，因此潜热最高的水只需 17 分钟即可凝固。此外，3D 结构减轻了水的常见过冷效应，在该测试中，在凝固开始时没有显示任何过冷。

考虑到 Rubitherm 生产的三种材料（RT2、RT4 和 RT5），它们都是石蜡，具有相似的热物理特性（见表 1）。只有潜热（除了

t_{PC}

）不同：

230 kJ / kg

RT5、

135 kJ / kg

RT4 和

115 kJ / kg

RT2。尽管潜热不同，但充电时间非常相似，三种 PCM 之间的充电时间仅相差 1 分钟。相比之下，在充电阶段，样品内部的温度趋势是不同的。当使用 RT5 时，相变期间的温度平台期清晰可见，而当使用 RT2 和 RT4 时，平均温度继续降低。这可能是因为 RT5 的潜热几乎是 RT2 和 RT4 的 2 倍。

在放电阶段，RT2 和 RT4 表现出相似

图 5.当 a

d t

为 9 K 时，水和 RT4 完成充电（a）和放电（b）阶段所需的时间。
熔化时间约为 21-22 分钟的行为;RT5 由于其较高的潜热而呈现更长的熔化时间。所有这些石蜡的温度曲线都相似，但很明显，RT2 的相变过程比所有其他相蜡都早完成。

比较 OM8 和 CR9 也非常有趣，这两种材料的热物理特性相似

t_{PC}

但略有不同：OM8 具有较低的潜热（

175 vs 220 kJ / kg

）和较低的固体比热容（

1.71 vs 2.2 kJ / kg K

）。在充电过程中，OM8 表现出约 5 K 的显着过冷度，一旦开始凝固，平均温度不会显示任何相变平台，而在 CR9 的情况下，没有观察到明显的过冷度，温度表现出明确的平台期（在几乎恒定的温度下约 28 分钟）。温度特性的差异可归因于不同的传热机制： CR9 的高动态粘度值几乎抑制了自然对流，而传热由纯传导控制。不幸的是，CR9 的固体导热系数最低，因此过程非常缓慢。OM8 的动态粘度比 CR9 低 2.5 倍以上，因此自然对流也可能对相变起重要贡献。在卸料过程中，两种材料表现出相似的行为，并且需要相同的时间来完成熔化过程。一般来说，如图 6b 所示，材料在放电阶段的行为更加均匀：这可以解释为，在熔化过程中，开始时主要的传热机制是热传导，随着液体分数的增加，自然对流变得更强。水完成排放过程需要最长的时间，大约 37 分钟，因为它的潜热较高，而所有其他材料都需要 20 到 26 分钟。

图 6.当浴槽与

t_{P C}

温差保持等于 9 K 时，20 mm 样品中 7 种材料（加水）在加注（a）和卸料（b）过程中的平均温差。

一般来说，可以说，为了正确选择材料，研究将在应用中使用的相同材料的行为至关重要，因为其所有热物理特性都会严重影响其在相变过程中的传热行为。结果清楚地表明，不可能使用来自具有相似相变温度的其他材料的数据来估计蓄热的动态性能，而不会冒着误导结果的风险。

4.2. 工作条件的影响

图 7 报告了 PCM 与其随时间

t_{P C}

变化的平均温差，它是温泉浴和

t_{PC} (d t)

之间温差的函数。详细介绍了 RT5 和 OM5 在 10 mm 样品中温差

d t

等于 3,6 和 9 K 时的充电相。RT5 和 OM5 都是石蜡，正如预期的那样，它们表现出相似的传热行为。

从绘制的结果来看，当

d t

减半（从 6 K 到 3 K ）时，相变时间平均增加了约 2.6 倍。此外，当

d t

变为 1/3 时（从 9 K 到 3 K），相位时间大约长 4 倍。比较表 3、 4 和 5 中的数据，可以计算出该趋势在所有测试的条件下大致相同。正如预期的那样，建议

图 7.RT5（黑色）和 OM5（红色）在浴槽中与

t_{PC}

温差等于 3.6 和 10 mm 样品中 9 K 的充电阶段的平均温差。
选择允许使用大型

d t

的 PCM，以减少充电和放电时间。然而，另一方面，必须牢记生产更冷（或更热）的水的更高能源需求。一般来说，可能建议不要降低

d t

低于 5 K，正如 Righetti 等人（2022 年）所发现的那样，这已被发现是保证 PCM 侧有效传热的最小值。

4.3. 局部温度场分析

对于空间约束，本节只考虑一种材料（RT2），并在对参考和 10 mm 样品进行测试

d t 9 K

期间分析其内部的温度场。的位置
以下几行中描述的热电偶（TC）如图 3 所示。
图 8 显示了参比样品（图 8a 和 b）和 10 mm（图 8c 和 d）样品的充电（图 8a 和 c）和放电阶段（图 8b 和 d）的温度曲线。

正如预期的那样，观察到径向传热的趋势。事实上，在参考样品中 RT2 的充电阶段（图 8a），第一个冷却并完成相变的 TC 是位于壁附近的 TC1 和 TC4。然后，放置在试样中心的 TC2 和 TC5 凝固。TC3 没有出现，因为由于体积膨胀和收缩，它测量与空气接触的表面的温度。

在图 8c 和 d 的 10 mm 样品中，可以看出位于样品中心的 TC2 比 TC5 更早完成凝固，但 TC2 更接近传热增强的铝韧带。类似的行为发生在放电阶段，这种行为在所有研究的材料中都是通用的。

很明显，晶格缩短了充电和放电时间，但如前所述，它在充电（即凝固）阶段具有更强的增强。此外，与参考样品相比，10 mm 样品中的温度更加均匀：观察图 8a 与图 8c（充电）和图 8b 与图 8d（放电）。在 10 mm 样品中，同时记录的最低和最高温度之间的差异大约

2.3 - 2.5 K

较低。一般来说，为了实现更短的相变过程和更均匀的温度场，始终建议使用金属结构（Righetti et al.， 2020a， 2020b）。

5. 结论

标称相变温度（

t_{PC}

）在 2 之间的 7 种不同的市售相变材料（PCM）在 2 之间，并在

9^{\circ} C

4 个不同的样品中进行了比较，这些样品由于浸入设置在不同温度下的恒温槽中而受到冷却和加热条件。进行了几次实验测试，以

图 8.参考（

a, b

）中的 RT2 温度场和

10 mm (c, d)

充电（

a, c

）和放电（

b

， d）阶段的样品以 d

t 9

K 运行。
研究 PCM 与一些常见材料的兼容性以及 PCM 温度场和相变期间的总充电和放电时间。

从收集到的结果中，可以说出以下内容。

除了极少数例外，所有分析的材料似乎都与测试台、工业厂房和机器中使用的常见建筑材料（即铝、铜、不锈钢和塑料）兼容。
相变的持续时间不仅取决于潜热，还取决于其他热物理特性，例如热导率和动态粘度。不同材料的平均温度变化方式不同。一些材料表现出过冷度，而另一些则不会，尽管它们都是有机材料。有些在相变过程中具有非常明显的平台区，而另一些则没有。因此，强烈建议事先研究要使用的相同材料，而不是从具有相似相变温度的不同材料的数据中推断信息。此外，还建议收集所有可用的热物理特性，以便为给定应用准确设计 TES。
当恒温槽和恒温槽 $t_{PC}$ $(d t)$ 之间的温差减半（从 6 K 到 3 K）时，充电时间平均减少 $160 %$ ，而当 $d t$ 变为三分之一（从 9 K 到 3 K）时，充电时间减少约 3 倍。正如预期的那样，建议使用 large $d t$ 以减少作时间。然而，另一方面，必须记住，生产更冷（或更热）的水会消耗更高的能源;一般来说， $d t$ 至少 5 K 可以被认为是存储性能和系统效率之间的适当权衡。
金属结构的存在减少了充电和放电时间。在相同的作条件下，充电过程的时间比放电过程的时间减少更多。此外，并非所有材料都受到与晶格结构几何形状变化相同的相变时间减少的影响，这一证据可以解释为不同的热物理特性。在测试的那些材料中，对晶格几何形状最敏感的 PCM 是 RT2 和 RT4，其中一些材料的导热率最低。另一方面，最不敏感的材料是水，它的固体和液体热导率值最高。
正如所研究的边界条件所预期的那样，在样品内观察到径向传热。3D 铝结构的存在使温度场更加均匀。

总之，所提供的数据可以提供目前文献中无法获得的信息，并鼓励设计人员在低温应用中使用 PCM。此外，为了实现更短的相变过程和更均匀的温度场，始终建议使用金属结构。最后，目前的结果强调了所研究的 PCM 的热物理特性如何深度影响相变行为，因此它们清楚地表明了基于部分材料特性数据的预测和设计是多么不准确。此外，必须努力收集和发布不同相变材料的传输特性，例如热导率和动态粘度，以建立一个强大而全面的国际数据库。

利益争夺声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或个人关系似乎可能会影响本文报告的工作。

Acknoledgments

这项研究工作部分由 PRIN 2017 FlexHeat 2017KAAECT 项目资助。

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- 通讯作者。
电子邮件地址：giulia.righetti@unipd.it （G. Righetti）。

用于制冷和空调应用的低温相变材料 （PCM） 的实验评估

用于制冷和空调应用的低温相变材料的实验评价

A R T I C L E I N F O

关键字：

抽象

1. 引言

命名法

缩写

希腊符号

1.2. 本文的新颖性

2. 材料选择

3. 相容性测试

4. 实验设置

4. 实验结果

4.1. 材料的影响

4.2. 工作条件的影响

4.3. 局部温度场分析

5. 结论

利益争夺声明

Acknoledgments

引用

用于制冷和空调应用的低温相变材料（PCM）的实验评估