热过程中的热能或余热, 提高整个加热系统的热 效率 。热能储存除了适用于具有周期性或间 断性的加热过程外 , 还可以应用于工业连续加热 过程的余热回收
[ 11] [ 10]
。
2 . 1 相变储热材料的应用 热能储存技术在工业加热系统中应用的方式 是在热能系统低负载或零负载时将富余的热能吸 收到热能储存装置中 , 在高负载时释放所储存的 热能供加热过程使用 , 因而热能储存可以把间断 的热源变为一个恒定的热源, 在非生产时将剩余 能源储存供生产时使用, 其结果是整个系统能长 期和稳定地在高效率的工况下运行。热能储存系 统通常由单个或多个的热能储存元件与换热装置 一体化的储热换热器构成, 储存的热能以直接或 间接的方式提供给加热系统使用
。
2007 年 , 第 3 期
-
-
新能源及工艺
导致的能源利用率低的问题, 最大限度地利用加
表 1 无机水合盐和有机相变材料 PCM ( 相 变材料 ) K F! 4H 2 O CaC l2 ! 4H 2 O CH 3 ( CH 2 ) 16 COO ( CH 2 ) 3 CH 3 CH 3 ( CH 2 ) 11 OH CH 3 ( CH 2 ) 16 CH 3 CH 3 ( CH 2 ) 12 COOC 3H 7 45% CH 3 ( CH 2 ) 8 COOH 和 55% CH 3 ( CH 2 ) 10 COOH 熔点 /∀ 18. 5~ 19 29. 7 18~ 23 17 . 5~ 23. 3 22 . 5~ 26. 2 16~ 19 17~ 21 溶解热 /K J! K g- 1 231 171 140 188. 8 205. 1 186 143
[ 8]
。所以 , 在使用此类储热材料的
同时需要加入 防相 分离剂、 增 稠剂 和晶 体结 构 改变剂等来改善其使用性能。 在结晶水合盐 的研究方面前 人做了很多 工 作 , 研 究了碱 金属、 碱土 金属以 及铝、 锌、 锰、 铁 等金属的硫酸盐、 磷酸盐、 硝 酸盐、 碳 酸盐、 醋酸 盐、 卤盐以及硫代 硫酸盐等不同结晶 水合盐 ; 测 定了这些盐的熔点、 熔解热、 热 导率和密度等 物 理性质 , 研究 了它 们作 为相变 储能 材料 进行 储 热的可能性。华中师范大学阮 德水等在这方 面 也进行了很多研究
[ 4 - 5]
, 具有代表性的结晶水合
盐有 N a2 SO4 ! 10H 2 O ( 芒硝 ) 、 C aC l2 ! 6H 2 O、 Ca B r2 ! 6 H 2 O、 M g ( NO 3 ) ! 6H 2 O ( 镁 硝 石 ) 、 Li NO 3 ! 3H 2 O、 KF ! 4H 2 O、 NH 4 A l( SO4 ) ! 12H 2 O ( 铵 矾 )、 M gC l2 ! 12H 2O、 N a2 S2 O 3 ! 5H 2 O ( 海波或 大 苏打 ) 、 N a2 CO3 ! 10H 2O ( 苏打 ) 、 Na2H PO 4 !
随着社会的不断发展 , 人类对能源的需求日 益增加 , 但是能源的供应与需求都有较强的时间 性 , 在很多情况下还不能合理地利用 , 从而导致能 源的大量浪费。如在工业生产过程中所产生的热 量没有得到利用而浪费掉, 而当需要供应热时却 有大量的余热被损失掉。这时就需要一些材料将 这些热量或冷量储存起来, 在需要时再将其释放 出来, 这样的材料就叫做热能储存材料。对热能 储存材料的认识及研究仅是近几十年的事情, 但 由于它的应用十分广泛, 已成为一种日益受到重 视的新材料。 热能储存的方式主要有显热、 潜热和化学反 应热 3 种
[ 7] [ 6]
, 以弥
补二者的不足 , 得 到性能更好的相变 材料 , 以 使 之得到更好的应用。 Abha t 在文献中提到的几 种 有 机 储 热 材 料 如 CH 3 ( CH 2 ) 16 COO ( CH 2 ) CH 3、 CH 3 ( CH 2 ) 11 OH、 CH 3 ( CH 2 ) 16 CH 3、 CH 3 ( CH 2 ) 12 COOC 3H 7 以及 CH 3 ( CH 2 ) 8 COOH 和 CH 3 ( CH 2 ) 10 COOH 的混 合材 料熔 融热 较 大, 且 相变温度接近 人体 体温 , 这些 材料 均可 以广 泛 用于建筑保温材料中。 固 - 液相变材料是研究中相对成熟的一类相 变材料 , 对于它们的研究进行得较早 , 不论是无机 类还是有机类, 都有很多的物质可以在实际中应 用 , 而且对这些材料的物理化学特性以及防过冷、 防相分离和选用容器等 方面都有大量的 文献报 道 , 也有很多的物化手册可以查找到相关的数据; 目前已经发现可适合各种温度范围的多种相变材 料 , 并有较多的应用。 表 1 中列出了几种可以应用在建筑中的相变 材料
[ 2- 3 ]
12H 2 O、 N aAc ! 3H 2 O、 Zn( NO 3 ) 2 ! 6H 2O 等。 1 . 1 . 2 有机储能材料 典型的有机 类相变材料有石 蜡、 脂 酸类、 高 分子 化合 物 等。石 蜡主 要 由 直链 烷 烃 混 合 而 成 , 可 用 通 式 C nH 2 n+ 2表 示。 短链 烷 烃 熔 点 较 低 , 链增长 时, 熔点 开始 增长较 快 , 而后 逐渐 减 慢。一般说来 , 同 系物 的相变 温度 和相 变焓 随 碳链的增长而 增大 , 这 样可以 得到 具有 一系 列 相变温度的储能材料 , 但随着碳链的 增长 , 相 变 温度的增加值会逐渐减小 , 其熔点最终趋于一定 值。石蜡是混合物 , 因此不象低分子量的物质有 一个熔融尖峰; 石蜡作为相变储能材料的优点是 无过冷及析出现象、 性能稳定、 无毒、 无腐蚀、 价格 便宜; 缺点是导热系数小、 密度小、 单位体积储热 能力差
0 前
言
储能与释能 , 所以也称为相变储能; 相变可以是固 - 液、 液 - 气、 气 - 固和固 - 固等, 但以液 - 固相 变最为常见。反应热储存则是利用储能材料相接 触时发生可逆的化学反应来储、 放热能; 如化学反 应的正反应吸热 , 热能便被储存起来 ; 逆反应放 热 , 则热能被释放出去。 [ 1] 热能材料一般应满足以下要求 : 热能储能 量大; 稳定性好 ; 无毒、 无腐蚀, 不易燃易爆; 材料 的热导率大 ; 储放热时材料的体积变化小或无变 化。对于相变储热材料, 要求其具有大的相变热; 潜热储热则需要其反应热效应大 ; 而显热材料则 是要求材料的热容大。在实际应用中通常同时采 用两种或多种储热材料, 其目的就是要调整储热 材料的性能从而满足实际需要。
新能源及工艺
储热材料的研究进展及其应用
朱教群 , 张 炳 , 周卫兵
( 武汉理工大学 材料复合 新技术国家重点实验室 , 武汉 430070) 摘 要 : 综述了储热材料的研究进展和实际应用 。 介绍了储热材料的分类以及各类材料 的性能 、 储能 机理和优
缺点 ; 介绍了一些新型的相变材料 , 并结合实例探讨了储热材料在太阳能利用 、 建筑节能 等领域的应用 ; 指出了 储热材料的研究 方向和未来的发展趋势 。 关键词 : 储热 ; 相变材料 ; 热能储存 ; 节能 中图分类号 : TK513. 5 文献标识码 : A 文章编号 : 1004- 3950( 2007) 03- 0048- 05
[ 6]
。
高分子化合物类的相变材料 , 由于是具有一 定分子量分布的混合物 , 并且分子链 较长 , 结 晶 并不完全, 因此它 的相 变过程 也有 一个 熔融 温 度范围 , 没有 熔融 尖峰。酯酸 类也 是一 种有 机 储热相变材料 , 其 分子通 式为 CnH 2n O2, 其性 能 特点与石 蜡相 似。为了 得到相 变温 度适 当、 性 能优越的相变 材料 , 常 常需要 将几 种有 机相 变 材料复合以形 成二 元或 多元相 变材 料
作者简介 : 朱教群 ( 4- ) , 男 , 湖南双峰人 , 教授 , 主要从事能源材料的研究。
-
-
新能源及工艺
分为显热、 潜热和反应储热 3 种 ; 从储热的温度范 围来看可以分为高温、 中温和低温 3 种类型。 1 . 1 相变储热材料 目前国内外研究的相变材料主要为固 - 液相 变材料, 其用途也最为广泛。固 - 液相变材料种 类很多 , 主要分为无机和有机两大类。 1 . 1 . 1 无机储能材料 无机水合盐具 有较大的溶解 热和固定的 熔 点 , 是中低温相变 材料中重要的一类 , 一般有 结 晶水合盐类、 熔融盐类、 金属或合金类 等。最 典 型的是结晶水合盐类 , 这类材料的熔 化热大、 导 热系数高 , 且 相变 时体 积变 化小。目前 使用 较 多的主要有碱及碱土金属的 卤化物、 硝酸盐、 硫 酸盐、 磷酸盐、 碳 酸盐 及醋 酸盐 等。但 是 , 这 类 材料 容 易出 现 过 冷 和 相 分 离 现象。 过 冷 现象是指当 物质达到其 冷 凝点 时并不 结 晶 , 而必须到 冷 凝点 以下 的某一温 度才开 始 结晶 , 导 致相 变温 度发 生波 动。过 冷现 象与 材 料的性质、 冷却速 度以及杂质种类和 含量有关 , 要防止过冷现 象常 选用过 冷倾 向小、 熔 点比 相 变材料高、 组 成与 性质 接近主 相变 材料 的化 合 物作为防过冷剂。 相分离 现象是指在多 次反 复的相变过程中 , 常导致盐水分离 , 有部分盐 类 不溶于结晶水而沉入底部 , 不再与结 晶水结合 , 形成分层现象 , 导 致储能能力大幅度 下降 , 缩 短 了使用周期
[ 1]
。显热储存时, 储能材料在储存和释
放热能时, 只是材料的温度发生变化 , 而不发生其 他变化 ; 这种储能方式简单 , 成本低。潜热储存则 是利用储热材料在发生相变时吸收或放出热量来
收稿日期 : 2007 - 01- 23
1 储热材料
储热材料的种类很多 , 从材料的组成来看可 以分为无机和有机两大类; 从储热方式来看可以
Research progress and application of therm al storage m aterials