新型相变贮热材料

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1、新型相变贮热材料--------------------------------------------------------------------------------在太阳能热利用、工业余热回收、采暖及空调领域中，为了调整热能供应与人们需求之间的不一致，热能的贮存是极为关键的一环。目前普遍使用的贮热方式有两大类：显热式贮热和潜热式贮热。所谓显热式贮热，就是通过加热介质，使其温度升高而贮热，它也叫“热容式贮热”。潜热式贮热是利用贮热介质被加热到相变温度时吸收大量相变热而贮热，它也叫“相变式”贮热。物质由固态转变为液态(熔解)，由液态转变为气态(气化)，

2、或由固态直接转变为气态(升华)，都会吸收相变热；而进行逆过程时则释放相变热。这是潜热式贮热所依据的基本原理，在没有专门说明时，“相变式贮热”一般是指固液相变贮热。与显热式贮热相比，潜热式贮热有两大明显优点：贮热密度大，即可以用很小的体积贮存很多的热能；吸热过程和放热过程几乎是在恒温条件下进行，有利于与热源和负载相配合。4/4传统的相变贮热材料主要有用于常、中温贮热的部分水合盐及某些有机物(石蜡、脂肪酸等)和用于高温贮热的熔盐。水合盐因易于获取、成本较低且贮热密度大而一度被认为是较理想的相变贮热介质，但这种材料有两大缺点：过冷和析晶。前者指相变材料在经历一定次数

3、的相变过程后不能在预定温度下发生相变；后者则指相变材料出现分层现象，导致相变潜热降低。另外，尽管水合盐材料本身费用较低，但为了防止其中水分减少引起相变潜热降低，所用容器必须密封，而且许多水合盐对容器有腐蚀性，这些就大大增加了投资。如在加拿大，CaCl2·6H2O每吨价格只有90美元，而以其作为相变材料制成的贮能模块每吨零售价达3000美元。有机相变材料本身成本虽然较水合盐为高，但它们无过冷现象，比较稳定，对容器要求较低，故贮热器总成本并不高。但有机相变材料的导热系数偏低，为了达到较高的换热效率需要对换热器进行特殊设计。熔盐的相变温度一般在200℃以上，主要用于

4、高温贮热；由于熔盐对某些容器有腐蚀性，故对容器材料的选择有比较严格的要求。上面所述传统相变材料在使用过程中都需要特定容器，以防止相变材料泄漏；它们不能与传热介质直接接触。以上因素不仅增加了热阻，降低了换热效率，而且使成本大大提高，阻碍了相变贮热系统的推广使用。为了获得低成本的相变贮热系统，所选用相变贮热材料成本应该较低，且对容器要求不高；而为了获得较高的换热效率，则希望传热介质能够与相变贮热材料直接接触。由此，一类新型相变材料——定形相变贮热材料引起了人们的极大兴趣。这类相变材料在相变前后均能维持原来的形状(固态)，它对容器要求很低，这就大大降低了相变贮热系统

5、的成本，而且某些性能优异的定形相变材料可以与传热介质直接接触，使换热效率得到很大提高。　　目前定形相变材料按相变机理及结构可分成三大类，下面分别作简要介绍。固—固定形相变材料此类定形相变材料在受热或冷却时通过晶体有序—无序结构之间的转变而可逆地吸热、放热，主要包括交联高密度聚乙烯和多元醇。多元醇的固—固转变热较大，一般在100kJ/kg以上，如季戊四醇的固—固转变热为209.45kJ/kg。但由于多元醇易于升华，虽然所发生的是固—固转变，但是它作为相变贮热材料使用时仍然需要容器，而且是密封的压力容器。高密度聚乙烯的熔点虽然一般都在125℃以上，但通常在100℃

6、以上使用时会软化。经过辐射交联或化学交联之后，其软化点可提高到150℃4/4以上，而晶体的转变却发生在120至135℃之间(见表1)。但是交联会使高密度聚乙烯的相变潜热有较大降低，普通高密度聚乙烯的相变潜热为210—220kJ/kg，而交联聚乙烯只有180kJ/kg。在氩气气氛下使用等离子体轰击的办法能使高密度聚乙烯表面产生交联，这种方法可以基本上避免因交联而导致相变潜热的降低，但因技术原因这种方法目前还没有大规模使用。表1　定形高密度聚乙烯的热物性转变温度范围(℃)熔解热(kJ/kg)比热容(kJ/kg·K)热传导系数(h/m·K)125—1301802.5

7、10.25固—液定形相变材料这类定形相变材料实质上是一类复合相变材料。即选择一种熔点较高的材料为基体，将相变材料分散其中，构成复合相变贮热材料。在发生相变时，由于基体材料的支撑作用，虽然相变材料由固态转变为液态，但整个复合相变材料仍然维持在原来的形态，即固态。如在常用建筑材料中掺入硬脂酸丁酯所制成的复合相变贮热材料即是其中一种。这种复合相变贮热材料可应用在太阳房、建筑物采暖及空调系统中，但其中相变材料所占质量百分比较少(1/3以下)，相变潜热仅37kJ/kg左右，一般只能作为辅助调节之用。近年来出现的一种新型复合定形相变材料(FSPPC)有良好的稳定性，易于加

8、工，成本较低，其相变温度在较大范围内可