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相变储热材料的种类_应用及展望

目前对国内外相变材料(!"#$%&’"()*%+,(-%./(0,!’,)储热性能的研究越来越多,相变材料有独特的潜热性能:它在其物相变化过程中,可以从环境吸收热(冷)量或向环境放出热(冷)量从而达到热量储存和释放的目的。

利用此特性不仅可制造出各种提高能源利用率的设施,同时由于其相变时温度近似恒定,可以用于调整控制周围环境的温度,并且可以多次重复使用123。

从现在应用普遍程度来看,相变储热材料主要使用的是固液相变储热材料和固固相变储热材料。

固液相变材料主要优点是价廉易得。

但是固液相变储热材料存在过冷和相分离现象,会导致储热性能恶化,易产生泄露、污染环境、腐蚀物品、封装容器价格高等缺点。

固固相变材料在发生相变前后固体的晶格结构改变而放热吸热143,与固液相变材料相比,固固相变材料具有更多优点:可以直接加工成型,不需容器盛放。

固固相变材料膨胀系数较小,不存在过冷和相分离现象,毒性腐蚀性小,无泄露问题。

同时组成稳定,相变可逆性好,使用寿命长,装置简单。

固固相变材料主要缺点是相变潜热较低,价格较高153&。

67&相变储热材料的分类686&固—液相变储热材料68686硫酸钠类硫酸钠水合盐(9(:;<=>?:<)的熔点5:8=’,溶解潜热:@A8BCD*,它具有相变温度不高、潜热值较大两个优点。

硫酸钠类储热剂不仅储热量大,而且成本较低,温度适宜,常用于余热利用的场合。

然而十水硫酸钠在经多次熔化—结晶的贮放热过程后,会发生相分离,为了解决这个问题,可加入防相分离剂1=3。

6868:醋酸钠类三水醋酸钠的熔点是@B8:’,熔解热:@A8BCE*,属于中低温储热材料。

三水醋酸钠作为储热材料,其最大的缺点是易产生过冷,使释热温度发生变动,通常要加入防过冷剂1=3。

为防止无水醋酸钠在反复熔化—凝固可逆相变操作中析出,还要加入明胶、树胶或阳离子表面活性剂等防相分离剂。

6868577氯化钙类氯化钙的含水盐(F(F0:·G?:<)熔点为:H’,溶解热6BACE*,是低温型储热材料。

氯化钙的含水盐的过冷非常严重,有时甚至达A’时其液态熔融物仍不能凝固。

常用的防过冷剂为I(;、F(?J<=、F(;<=、F((<?):及某些碱土金属过渡金属的醋酸盐类等。

此类水合盐熔点接近于室温,无腐蚀、无污染,溶液是中性,所以最适合于温室、暖房、住宅及工厂低温废热的回收。

6K6L=磷酸盐类磷酸氢二钠的十二水盐(9(:?!<=·6:?:<)的熔点为5@’,溶解热:A@CE*,是一种高相变储热材料。

它的过冷温差较大,凝固的开始温度通常为:6’。

一般可利用粉末无定形碳或石墨、分散的细铜粉、硼砂以及F(;<=、F(F<5等无机钙盐作为防过冷剂。

这类储热剂较适合于人体的应用,在太阳能储热、热泵及空调等使用系统中也经常得到应用。

以上为无机固液相变材料,下面介绍两种常见有机相变储热材料。

6868@7石蜡石蜡在室温是一种蜡状物质,熔解热为55G7CE*。

它是固体石蜡烃的混合物,主要含直链碳氢化合物,仅含少量支链。

石蜡有良好的储热性能,有较宽的熔化温度范围,较高的熔化潜热,相变较迅速,可自身成核1@3,过冷可忽略,化学性质稳定,无毒、无腐蚀性。

此外,石蜡价廉、资源丰富、耐用,日常生活中应用较为广泛。

6868G7脂肪酸类脂肪酸的熔解热与石蜡相当,过冷度小,有可逆的熔化和凝固性能,是很好的相变储热材料。

但价格较高,约为石蜡的:(:8@倍,如大量用于储热,成本会偏高。

68:77固一固相变储热材料68:86多元醇这一类相变材料主要有季戊四醇(!M)、:>二羟甲基—丙醇(!N)、新戊二醇(9!N)等。

低温时,它们具有相变储热材料的种类、应用及展望王志强曹明礼龚安华苏青青(武汉理工大学资环学院,=5AAOA)摘要介绍了相变材料的种类以及在国内外的应用,并指出相变储热材料的研究方向和未来的发展趋势。

关键词相变材料建筑应用高对称的层状体心结构,同一层中的分子以范德华力连接,层与层之间的分子由!"—形成氢键连接。

当达到固固相变温度时,将变为低对称的各向同性的面心结构,同时氢键断裂,分子开始振动无序和旋转无序,放出氢键能。

若继续升温,则达到熔点而熔解为液态。

多元醇的相变温度较高,很大程度上限制了其实用。

为了得到较宽的相变稳定范围,满足各种情况下对储热温度的相应要求,可将多元醇中两种或三种按不同比例混合#$%,调节相变温度,也可以将有机物与无机物复合,以弥补二者的不足。

&’(’(高分子类这类相变材料主要是指一些高分子交联树脂。

如交联聚烯烃类、交联聚缩醛类和一些接枝共聚物。

如纤维素接枝共聚物、聚酯类接枝共聚物、聚苯乙烯接枝共聚物、硅烷接枝共聚物。

目前使用较多的是聚乙烯。

聚乙烯价廉,易于加工成各种形状,表面光滑,易于与发热体表面紧密结合,导热率高,且结晶度越高其导热率也越高。

尤其是结构规整性较高的聚乙烯,如高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯等,具有较高的结晶度,因而单位重量的熔化热值较大。

&’(’)层状钙钛矿层状钙钛矿是一种有机金属化合物。

它被称为层状钙钛矿是因为其晶体结构是层型的,与矿物钙钛矿的结构相似。

纯的层状钙钛矿以及它们的混合物在固—固转变时有较高的相变焓(*(’&*$+,-+.),转变时体积变化较小(/0’&10),适合于高温范围内的储能和控温使用。

由于其相变温度高、价格较贵,较少使用。

(22相变储热材料的应用(’&太阳能供暖系统上的应用相变储热材料用于储热具有环保、高效、节能、安全等多项优势,非常适合于太阳能供暖系统储热,以替代传统的取暖设备。

组合式相变储热单元换热器为方形结构,主要由钢板、折流板、高密度聚乙烯管组成。

内部结构由)个区构成,每个区内都有几十根高密度聚乙烯管,管外径(/33,壁厚&’(33,相变储热材料用石蜡封装在管内,每根管内都留有/0’&10的空余空间,用来避免储热材料受热膨胀将管胀裂。

)个区内的石蜡相变点温度值是不相同的,沿高温水流动方向依次降低,根据实际需要,各区之间相差(’/(’/’/(。

每个区内各有(块折流板,用以增加流体的扰动,提高换热效果#4%,这种供暖系统在实际中已有应用。

(’(太阳能热水系统上的应用为了弥补太阳能受气候影响的缺陷,并降低运行费用,在低谷电时段运行电锅炉储热,被锅炉加热的高温热水循环流过储热水箱,储热水箱内的相变材料由固态变成液态,吸收大量的热;当连续阴雨天太阳能水箱温度无法达到设定温度时启动循环水泵,相变储热水箱开始放热,相变材料由液态变成固态,放出大量的热,使太阳能水箱内水温升高。

同常规热水箱比较,相变储热水箱储存等量的热量可以缩小体积/10同时减少散热面积,而且放热过程平稳#5%,优点十分明显。

(’)热泵干燥机组中的应用热泵干燥既能节约能量又可提高产品的质量。

当干燥温度满足干燥要求后,热泵干燥机组往往通过排放掉一部分热量来维持干燥温度的稳定,这样降低了热泵干燥的能源利用效率#6%2。

利用相变材料(相变温度为/1’/((的切片石蜡)相变热效应,回收这部分能量,而且又在机组需要热量时将贮存的能量释放给干燥空气,实验结果证明相变材料在热泵干燥机组中的应用具有明显的节能潜力。

(’*工业加热过程的应用在工业加热设备的余热利用系统中,传统的储热器通常是采用耐火材料作为吸收余热的储热材料,由于热量的吸收仅仅是依靠耐火材料的显热容变化,这种储热室具有体积大、造价昂贵、热惯性大、输出功率逐渐下降等缺点,在工业加热领域难以普遍应用。

相变储热系统是一种可以替代传统储热器的新型余热利用系统,它主要利用物质在固液两态变化过程中潜热的吸收和释放来实现热能的贮存和输出,潜热与显热容相比较不仅包含有更大的能量,而且潜热的释放是在恒定温度下进行。

与常规的储热室相比,相变储热系统体积可以减少)10’/10,因此,利用相变储热系统替代传统的储热器,不仅可以克服原有蓄热器的缺点,使加热系统在采用节能设备后仍能稳定地运行,而且有利于余热利用技术在工业加热过程的广泛应用#&1%。

(’/医药工业中的应用许多医疗电子治疗仪要求在恒温条件下使用,这样就需要利用温控储热材料来调节,使仪器在允许的温度内工作。

日本有专利报导用78(9!*·&1"(!和:.9!*·4"(!的混合物作为相变材料用于仪器室的控温,可使室温保持在(/(左右#&&%。

也可将特种仪器埋包在用相变材料制成的热包中,来维持仪器使用的温度。

近年来国内市场有种热袋,相变材料是水合盐,相变温度//(左右,利用一块金属片作为成核晶种材料,当用手挤压金属片时,使它的表面成为晶体生长中心,从而结晶放热,再配备某些具有活血作用的中药袋,从而达到理疗的作用,对于治疗类风湿等疾病具有一定的疗效。

!"#现代农业中的应用温室在现代农业中举足轻重,它在克服恶劣的自然气候、拓展农产品品种、提高农业生产效率等方面具有重要的价值。

温室的核心是控制适宜农作物生长的温、湿度环境,在这方面相变材料大有用武之地。

将相变材料用于农业中温室的研究开始于上世纪的$%年代。

最先采用的相变材料为&’&(!·#)!*,随后又先后尝试了+’,*-·.%)!*、石蜡等。

研究结果表明:相变材料不仅能为温室储藏能量,还具有自动调节温室内湿度的功能,能够有效节约温室的运行费用和能耗。

!"/纺织行业中的应用在纺织服装中加入相变材料可以增强服装的保暖功能,甚至使其具有智能化的内部温度调节功能0.!1。

根据使用要求可以生产具有不同的相变温度的产品,如用于严寒气候的-.级纤维的相变温度在#2’$2(34(.$"5’!6"-)),用于运动服装的-5级纤维的相变温度在6%’..%(3(5!"!’-5"5))。

相变储能纤维的智能调温机理是:当人体处于剧烈活动阶段会产生较多的热量,利用相变材料将这些热量储藏起来,当人体处于静止时期,相变材料储藏的热量又会缓慢地释放出来,用于维持服装内的温度恒定。

!"$相变储能复合材料在电子行业中的应用近年来随着电子设备向高速、小型、高功率等方向发展,集成电路的集成度、运算速度和功率迅速提高,导致集成块内产生的热量大幅度增加。

如果集成块产生的热量不能及时扩散,将使集成块的温度急剧上升,影响其正常运行,严重的还可能造成集成块烧坏。

而如果在集成块上应用相变材料,可以有效缓解其过热问题。

因为相变材料在其发生相变过程中,在很小的温升范围内,吸收大量热量,从而降低其温度上升幅度。

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