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适用于血液疫苗相变材料的研制以及相变蓄能技术在部队冷藏库集装箱改造中的应用

作　者: 赵建辉
导　师: 张庆勇
学　校: 中国人民解放军军事医学科学院
专　业: 生物医学工程
关键词: PCMs 相变蓄冷剂 DSC热分析泡沫铜数值仿真
分类号: TB34
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近年来,相变储能材料成为国内外能源利用和材料科学方面研究的热点。相变储能技术可解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾,因而是提高能源利用率的有效手段。将相变蓄能技术应用到生物、医药、食品的冷藏运输中,是冷链物流行业正在兴起的一种运行模式。它改变了以往以冷藏车为主的高能耗冷链物流方式,成为当前冷链物流转变经济增长方式、向节能环保方向发展的一种探索。然而,现有冷藏车配备的相变蓄能材料主要为水基质和共晶盐的混合物,存在相变温度局限(只能达到0℃以下),导热能力差,释能不均匀等缺陷,不能满足血液(3℃～6℃)和疫苗(2℃～8℃)的储运需求。本文就当前部队血液、疫苗冷藏运输装备如野战储运血箱、野战医用冰箱、野战运血车、冷藏库集装箱等存在的不足,进行分析,提出将相变蓄能技术应用到冷藏库集装箱的升级改造中,有效解决目前部队血液、疫苗储运装备存在的问题。本文首先对应用于血液、疫苗储运的相变蓄冷剂的主储冷剂、防过冷剂进行了研究选择,旨在开发出一种相变温度合适、相变潜热高、过冷度低、价格低廉、无毒无害的可在血液疫苗储运装备中广泛使用的相变蓄冷材料;随后对如何提高相变材料的导热性能,提出一种新型的与泡沫铜结合的相变蓄能装置,并对其导热性能进行了试验分析;最后用数值仿真的方法对冷藏库集装箱主温区风道内部配置相变蓄能装置后的流场及温度场进行了计算分析,并提出了改造方案的构造图。根据文献资料和相变材料选择标准,初选了正十四碳石蜡作为主储能剂候选材料,利用DSC热分析仪对正十四碳石蜡溶液的相变潜热和相变温度进行测定,测得正十四碳石蜡溶液基本符合血液、疫苗储运要求。通过氯化钠(NaCl)、氯化铵( NH 4Cl )、草酸( C 2 H 2 O4 )、硫酸铁( Fe2 ( SO4 )3)、硼砂( Na2 B4 O7 10H 2O )、硅藻土、二氧化硅( SiO2 )和碘化银(AgI)等成核剂添加入水溶液的DSC测定结果,发现碘化银对于水相变特性的改善效果最佳,能较好的改善水溶液的过冷现象,可以用作相变蓄冷剂的人工晶核。不同孔隙率的泡沫铜与相变材料复合后得到的复合相变材料具有不同的导热系数。综合导热性能与主温区整体蓄冷要求,本文设定蓄能装置中的泡沫铜的孔隙率为95%。由于相变材料在凝固时体积膨胀较大,为防止装置胀破,用与相变材料密度接近的水替代相变材料,分别选择了90%、87%、85%为灌注量进行凝固—熔化循环实验,结果表明90%和87%的灌注量下实验样件分别出现了不同程度的损坏,而85%灌注量下的实验样件则比较正常,因此确定相变材料的最佳灌注量为装置内部有效空间的85%。通过对实验样件进行充、放冷实验和断电温升对比实验,测得其温度曲线并对传热性能进行了分析讨论,结果表明以泡沫铜作为填充材料的相变储能装置其内部温度均匀性,以及保温性能都非常好,满足保温要求。对冷藏库集装箱的改造上主要集中在主温区的内风道的设计。采用建模工具GAMBIT和CFD软件FLUENT,根据风道内部情况,分别对无储能管无回风道、有储能管无回风道、有储能管有回风道三种情况进行了数值仿真,在不加装回风道的情况下,对储能管的数量和排列方式做了相应的优化设计;而后,又针对无回风道时储能装置无法充分充冷的情况,进行了加装回风道的数值仿真研究。结果表明有储能管有回风道方案能够满足血液和疫苗的储藏需要,但需要加大风机压力。根据以上研究提出了主温区内风道的改装结构图。

全文目录

摘要  9-11
ABSTRACT  11-13
第1章绪论  13-26
  1.1 引言  13
  1.2 相变蓄冷剂的工作机理  13-15
    1.2.1 固—液相变储能材料  14
    1.2.2 固—固相变储能材料  14-15
  1.3 相变储能研究历史与现状  15-16
  1.4 相变蓄冷材料研究的热力学基础  16-21
    1.4.1 相平衡和相图基础  16-18
    1.4.2 二元凝聚体系相图  18-20
    1.4.3 固液平衡测定方法  20-21
  1.5 相变蓄冷材料的研究应用  21-23
    1.5.1 相变蓄冷材料在空调等制冷机械设备中的研究应用  22
    1.5.2 相变蓄冷材料在冷藏储运方面的应用  22-23
    1.5.3 相变蓄冷材料在其他领域的应用  23
    1.5.4 相变蓄冷材料特性的研究  23
  1.6 相变蓄冷材料研究中存在的主要问题  23-24
  1.7 对相变储能材料研究的展望  24
  1.8 选题背景及应用前景  24-26
第2章血液、疫苗相变蓄冷剂主储冷剂的选择及优化  26-36
  2.1 引言  26-31
    2.1.1 主储冷剂的初选  26-28
    2.1.2 实验原理  28-31
  2.2 材料与方法  31-32
    2.2.1 实验试剂  31
    2.2.2 实验过程  31-32
    2.2.3 数据分析  32
  2.3 相变蓄冷剂的配方优化  32-36
    2.3.1 引言  32-33
    2.3.2 实验原理  33
    2.3.3 材料与方法  33-34
    2.3.4 实验数据和结果分析  34
    2.3.5 成本分析与选择  34-36
第3章相变材料蓄能装置的原理样件的研制  36-45
  3.1 引言  36
  3.2 设计原理  36-37
  3.3 泡沫铜导热性能与孔隙率  37
  3.4 样件设计图  37-38
  3.5 性能试验过程及分析  38-45
    3.5.1 最佳灌注量的确定  38-40
    3.5.2 试验样件的性能测试  40-43
    3.5.3 断电温升对比实验  43-45
第4章冷藏库集装箱改造的研究方案  45-58
  4.1 引言  45
  4.2 主要技术指标和参数  45-47
  4.3 设计的原则  47
  4.4 采用FLUENT 软件进行冷藏库集装箱主温区优化方案的设计  47-50
    4.4.1 fluent 软件及前端建模工具Gambit 的简介  47-49
    4.4.2 数学模型的建立  49-50
    4.4.3 数值仿真的边界条件  50
  4.5 不同设计方案的数值仿真过程及结果分析比较  50-57
    4.5.1 无储能管无回风道  50
    4.5.2 有储能管无回风道  50-54
    6.5.3 加装回风道且有储能管  54-56
    4.5.4 总结  56-57
  4.6 冷藏库集装箱主温区风道总装配图  57-58
结论  58-59
参考文献  59-62
文献综述  62-69
在学期间取得的成果及发表的代表性论著（全文）  69-70
  攻读硕士学位期间取得的学术成果  69-70
作者简历  70-71
致谢  71

适用于血液疫苗相变材料的研制以及相变蓄能技术在部队冷藏库集装箱改造中的应用

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