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研究生:賴元生
論文名稱:全溫層儲能材料熱力分析與熱傳模式之研究
論文名稱(外文):A study on the thermal analysis and model of thermal transfer of multi-temperature energy storage materials
指導教授:陳文智陳文智引用關係陶惟翰陶惟翰引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:中國文化大學
系所名稱:材料科學與製造研究所
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:123
中文關鍵詞:全溫層物流系統儲能材料共晶組成COSMOS Floworks
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本研究之目的,在於探討不同共晶溫度之全溫層儲能材料於倉儲運輸系統應用之研究,利用相變化儲能材料,將物質於離峰時間先行蓄冷或儲熱後,於適當的時間釋放出其儲存之冷能或熱能之功能,以達到提升全溫層物流輸送系統之高效率、低污染、實用化與低成本之目的。選定之儲能材料為單成份或多成份的無機性相變化儲能介質,其特性為在凝固或溶化時,具有高熱能儲存密度、高熱傳導能力、特定的相變化溫度及可重複使用等特質。利用此儲能材料溫度與熱性質恆定之特性,配合蓄冷儲能元件具有十年或三千次以上的使用壽命之設計要求,進行一系列老化試驗測試。
本論文將研究介於-35℃∼90℃熔化溫度點之單成份或多成份的無機鹽儲能材料,利用無機鹽相變化材料之水溶液(NaBr(aq)、Na2CO3(aq)、KCl(aq)及NH4Cl(aq))及本身所含結晶水成份(Na2CO3.10H2O、Na2HPO4.12H2O、CaCl2.2H2O、Paraffin Wax、Ba(OH)2.8H2O及Mg(NO3)2.6H2O),在形成固液相平衡共晶組成之際,探討各種不同共晶溫度(Eutectic Temperature)及高潛熱值(Latent Heat)之性能,據此採用作為全溫層冷凍與保溫系統之儲能介質。本實驗之操作參數包括增稠劑、安定劑與成核劑多種添加物,用以預防過冷及相分離等現象。對於固液相平衡數據,可以經由示差掃描熱量分析儀(Differential Scanning Calorimetry,DSC)測試儲能介質之熔點、融化熱及其共晶組成,以求得固液相平衡數據,進而作為設計、製造與電腦模擬最適化冷凍保溫儲能系統之設計基準。在不同的蓄冷測試條件下,可維持蓄冷箱溫度於-18℃至10℃之間,並可維持3~13小時之恆溫蓄冷性能。經設定為3000次之潛熱值老化耐久測試後,發現儲能材料之潛熱值因cell pan壓合接縫於老化耐久測試中冷熱衝擊應力釋放變形,封閉於cell pan內之溶劑蒸發減重至DSC無法量測,導致潛熱值於老化耐久測試中於數百次之後開始逐漸減少。在添加無機染料方面之測試,則以不同顏色染料加入各種儲能材料中,以利未來應用於商業化之色碼區分,並以DSC量測其熱性質之變化。最後,運用COSMOS Floworks模擬軟體依蓄冷箱體尺寸、材質、共晶溫度、環境溫度差及潛熱值的不同,求出最適化硬體設計與操作參數條件,經由與實驗值互相比對修正,找出最適化之操作參數條件,作為實際製造生產的依據。
The purpose of this research is to study and to develop a highly efficient multi-temperature logistic system with energy storage materials which can store or release thermal energy and in the mean time change their phase states at different temperatures over day and night. Moreover, this project can provide the database for design and manufacturing technologies with energy saving, low pollution and low cost of the multi-temperature logistic system. The energy storage materials which can release (or absorb) thermal energy during freezing (or melting), can be either phase change single-inorganic-component or multi- inorganic-components with large specific heat capacity, high heat transfer rate, desired transition temperature and repeatable usage. The durability test was set to fulfill the industrial requirement for the life time of those multi-temperature energy storage materials expected to be used over ten years or three thousands times.
In this research, the eutectic property and heat capacity of the single- or multi-component inorganic phase change materials(ex. NaBr(aq), Na2CO3(aq), KCl(aq), NH4Cl(aq), Na2CO3.10H2O, Na2HPO4.12H2O, CaCl2.2H2O, Paraffin Wax, Ba(OH)2.8H2O, and Mg(NO3)2.6H2O) with the large latent heat and melting points between -35℃ ~ 90℃ were experimentally determined. The experimental operating parameters, such as the additive amounts of thickening agent, stability agent and nucleation agent were applied to prevent the subcooling phenomenon as well as the phase-separation. The measurement results about melting point, latent heat and eutectic components of energy storage materials experimentally analyzed by Differential Scanning Calorimetry (DSC) were used to design the energy storage logistic system. From the results, the energy saving performance under various operation conditions, the cold tank can be maintained at the temperature from -18℃ to 10℃ within 3~13 hours. The eutectic temperature of the energy storage materials does not change obviously under durability test. However, the latent heat started to decline with the increase of test cycle after testing several hundred cycles, due to the solvent leakage in DSC cell pan. The COSMOS Floworks simulations was used to search the optimal design baseline for the energy storage system and to setup the best operating parameters. To reduce the experimental cost, the best practical design and manufacturing parameters as well as the best operating parameters were studied through the comparison of simulation results with experimental results.
目錄…………………………………………………………………….…I
表目錄…………………………………………………………..………IV
圖目錄…………………………………………………………………...V
中文摘要…………………………………………………………...……X
Abstract………………………………………………………………...XII
第一章、前言……………………………………………………………..1
第二章、原理探討與文獻回顧…………………………………..………9
2.1 共晶儲能材料……………………………………….……9
2.1.1 低溫共晶儲能材料………………………………..9
2.1.2 常溫共晶儲能材料………………………………12
2.1.3 儲能材料之應用特性……………………...…….15
2.2 儲能性能………………………………...………………16
2.3示差掃描熱量分析儀量測原理……………….…………18
2.3.1 影響DSC實驗之因素………………...…………23
2.4 使用示差掃描熱量分析儀量測二成份相圖之探討…...25
2.5蓄冷保溫箱與蓄冷器熱傳模式之理論分析…………….27
2.5.1 熱傳遞原理………………………………………27
2.5.2 自然對流熱傳原理……………………………....32
第三章、實驗方法與設備…………………………….………………..36
3.1 實驗方向………………………………………...………36
3.2 實驗方法……………………………………………..….36
3.2.1 以DSC量測常溫共晶儲能材料之性能……..….36
3.2.2 低溫共晶儲能材料之蓄冷試驗…………………37
3.2.3 低溫共晶儲能材料之老化試驗……………..…..41
3.2.4 於低溫共晶儲能材料中添加無機染料之試驗…42
3.2.5 低溫共晶儲能材料之蓄冷性能模擬……………42
第四章、結果與討論…………………………………….……………..40
4.1 常溫共晶儲能材料之熱性質探討………………...........48
4.1.1 Na2CO3-10H2O……………………………………48
4.1.2 Na2HPO4-12H2O…………………………………..50
4.1.3 CaCl2-2H2O……………………………………….51
4.1.4 Paraffin……………………………………………52
4.1.5 Ba(OH)2-8H2O……………………………………53
4.1.6 Mg(NO3)2-6H2O…………………………………..54
4.2常溫共晶儲能材料潛熱值校正實驗……………………55
4.3 低溫共晶儲能材料之蓄冷性能探討……………….…..58
4.3.1 溴化鈉……………………………………………59
4.3.2 碳酸鈉…………………………………...……….62
4.4 老化耐久試驗……………………………..…………….65
4.4.1 溴化鈉……………………………………………65
4.4.2 碳酸鈉……………………………………………67
4.5 添加無機染料試驗……………………………..……….69
4.6 低溫共晶儲能材料之蓄冷性能模擬…………………...76
4.6.1 溴化鈉……………………………………………76
4.6.2 碳酸鈉…………………………………………....88
第五章、結論…………………………………………………………116
參考文獻………………………………………………………………119
表目錄
表2-1 無機鹽類溶液共晶特性………………………………………..11
表2-2 各種蓄冷液之共晶溫度及適用之冷凍食品………………......11
表2-3 各種不同熔點儲能材料物性表……………………….……….15
表2-4 不同熱對流模式─熱傳係數約略數值之比較………………..35
表2-5 空氣與液態水於0℃時熱力性質與輸送性質的比較…………35
表3-1 蓄冷測試之共晶儲能材料組成表……………………………..38
表3-2 NaBr(aq)共晶溶液之比熱值……………………………………46
表3-3 Na2CO3(aq)共晶溶液之比熱值………………………………...48
表4-1 標準物質之融點與潛熱值……………………………………..56
表4-2 常溫共晶儲能材料熱性質之修正結果……………..…………57
表4-3 蓄冷材與保溫箱之容積比………………………………..……58
表4-4 原始液與添加不同重量百分濃度染料之熱性值比較………..75
圖目錄
圖1-1 溫度及時間對細菌生長之影響及食物之安全及危險溫度……3
圖1-2 全溫層物流系統流程圖…………………………………………7
圖1-3 多溫輸送示意圖…………………………………………………8
圖2-1 儲能材料熱傳圖………………………………………………..13
圖2-2 熱流式(Heat flow)結構示意圖………………………………21
圖2-3 熱補償式(Power-compensated)結構示意圖………..………21
圖2-4 Perkin Elmer DSC7…………………...…………………………22
圖2-5 DSC實驗用Cell pan……………………………….…………..22
圖2-6 蓄冷保溫箱與蓄冷器暫態熱傳分析模式之控制容積……….32
圖3-1 保溫箱之尺寸圖………………………………………………..39
圖3-2 蓄冷塊之尺寸圖…………………………………………….….39
圖3-3 冰凍機之構造……………………………….…….……………40
圖3-4 蓄冷性能測試量測點位置示意圖…………………….….……41
圖3-5 蓄冷器之3D模型圖……………………………………………45
圖3-6 蓄冷保溫箱之3D模型圖………………………………………45
圖3-7 全溫層物流系統環境內部結構3D模型圖……………………46
圖4-1 Na2CO3-10H2O之DSC量測圖…………………………………49
圖4-2 Na2HPO4-12H2O之DSC量測圖……………………….………50
圖4-3 CaCl2-2H2O之DSC量測圖……………………………….……51
圖4-4 Paraffin之DSC量測圖……………………...………………….52
圖4-5 Ba(OH)2-8H2O之DSC量測圖…………….……………………53
圖4-6 Mg(NO3)2-6H2O之DSC量測圖……………..…………………54
圖4-7為DSC五種常用之校正樣品…………………………………..56
圖4-8 環境溫度25℃ NaBr儲能材料之蓄冷測試圖………………..60
圖4-9 環境溫度35℃ NaBr儲能材料之蓄冷測試圖………………...61
圖4-10 環境溫度25℃ Na2CO3儲能材料之蓄冷測試圖…………….63
圖4-11 環境溫度35℃ Na2CO3儲能材料之蓄冷測試圖…………….64
圖4-12 NaBr(aq)之老化耐久試驗圖……….……………………………66
圖4-13 Na2CO3(aq)之老化耐久試驗圖……….………………………...68
圖4-14 Na2CO3(aq)添加不同重量百分濃度無機染料之DSC圖譜…..71
圖4-15 NH4Cl(aq)添加不同重量百分濃度無機染料之DSC圖譜…….72
圖4-16 KCl(aq)添加不同重量百分濃度無機染料之DSC圖譜………..73
圖4-17 三種低溫共晶儲能材料於添加不同顏色無機染料後之色澤比較圖 (A) Na2CO3(aq) (B) NH4Cl(aq) (C) KCl(aq)…………………...74
圖4-18 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=0s)………..76
圖4-19 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=3600s)……77
圖4-20 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=3600s)………………………78
圖4-21 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=7200s)…….79
圖4-22 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=72000s)……………………...80
圖4-23 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=10800s)……81
圖4-24 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=10800s)……………………...82
圖4-25 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=14400s)……83
圖4-26 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=14400s)……………………...84
圖4-27 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=18000s)……85
圖4-28 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=18000s)……………………...86
圖4-29 NaBr(aq)蓄冷性能模擬與實驗數值對照圖…………………....87
圖4-30 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=0s)…………88
圖4-31 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=3600s)…….89
圖4-32 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=3600s)……………………….90
圖4-33 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=7200s)……91
圖4-34 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=7200s)……………………….92
圖4-35 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=10800s)…...93
圖4-36 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=10800s)……………………...94
圖4-37 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=14400s)……95
圖4-38 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=14400s)……………………...96
圖4-39 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=18000s)……97
圖4-40 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=18000s)……………………..98
圖4-41 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=21600s)…..99
圖4-42 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=21600s)…………………….100
圖4-43 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=25200s)….101
圖4-44 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=25200s)……………………102
圖4-45 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=28800s)….103
圖4-46 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=28800s)……………………104
圖4-47 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=32400s)…105
圖4-48 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=32400s)……………………106
圖4-49 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=36000s)…107
圖4-50 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=36000s)……………………108
圖4-51 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=39600s)…109
圖4-52 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=39600s)……………………110
圖4-53 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=43200s)…111
圖4-54 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=43200s)……………………112
圖4-55 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=46800s)…113
圖4-56 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=46800s)…………………....114
圖4-57 Na2CO3(aq)蓄冷性能模擬與實驗數值對照圖……………….115
圖5-1 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=21600s)…..118
圖5-2 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=21600s)……………………...118
圖5-3 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=25200s)…...119
圖5-4 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=25200s)……………………...119
圖5-5 蓄冷箱內部中央Y-Z平面空氣溫度場分佈圖(t=28800s)……120
圖5-6 蓄冷器表面之溫度場分佈圖(t=28800s)……………………...120
圖5-7 NaBr(aq)蓄冷性能模擬與實驗數值對照圖…………………….121
參考文獻
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