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1、2004年第10期化学教育·9·常低温相变储热材料的研究和应用李玉红焦庆影夏定国于志辉(北京工业大学环境与能源工程学院北京100022)摘要将常低温相变储热材料分类,介绍了常低温相变储热材料的种类及各自特点,对固-液相变、固-固相变储热材料的性能、优缺点和应用进行了讨论,讲述了目前人们针对常低温相变储热材料的缺陷采取的解决方法。关键词相变材料温度调控储能利用某些物质在相转变过程中的吸热和放热现象,进行热能储存和温度调节控制,具有热能储存和温度调控功能的这些物质称为相变储能材料(PCM,PhaseChangeMaterials),据相变材料的性质,一
2、般可分为无机化合物和有机化合物两类。据相变材料相变过程的形态不同,又可分为固-固、固-液、液-气、固-气等4种。其中发展较快的,应用较多的是固-液相变材料。根据相变温度,材料可分为高温、常温、和低温材料。高温材料在200℃～1000℃范围,主要是一些无机盐类,适用于一些特殊的高温环境。常低温材料在20℃～200℃范围,主要是一些无机盐水合物、有机物、高分子,此温度范围内的相变材料是常用的储能材料,是近年来国内外在能源利用和材料科学方面开发研究十分活跃的领域,得到了人们广泛的重视。本文介绍常低温度范围内的相变材料的种类及其应用。1常低温固-液相变材料
3、1.1无机水合盐类相变材料许多无机结晶水合盐通常有较大的相变热及固定的熔点(实际是结晶水脱出的温度,脱出的结晶水使盐溶解而吸热;降温时发生逆过程,吸收结晶水放热)。所以常作为潜热型储热材料使用。使用较多的主要[1]是碱及碱土金属的卤化物、硝酸盐、磷酸盐、碳酸盐、硫酸盐及醋酸盐等水合盐。主要有:醋酸盐类:NaCH3COO·3H2O、NaCH3COO·2H2O、LiCH3COO·2H2O等。硝酸盐类:Mg(NO3)2·6H2O、Mg(NO3)2·4H2O、Ca(NO3)2·4H2O、Zn(NO3)2·4H2O、Zn(NO3)2·6H2O、Zn(NO3)
4、2·1H2O等。硫酸盐类:Na2SO4·10H2O、FeSO4·7H2O等。磷酸盐类:Na2HPO4·12H2O、K3PO4·7H2O、Na3PO4·12H2O等。碳酸盐类:Na2CO3·12H2O等。卤化物类:CaCl2·6H2O、KF·2H2O、KF·4H2O等。结晶水合盐通常是中低温储热相变材料,其特点是:使用范围广、价格较便宜、导热系数大(与有机相变材料比)、密度较大、单位体积储热密度较大、一般呈中性。其缺点是过冷度大、容易析出。产生过冷现象的原因是大多数结晶水合盐结晶时成核性能差所致。解决过冷的办法通常采用:(1)加成核剂,即加入微粒结构
5、与盐类结晶物相类似的物质作为成核剂,如在Na2SO4·10H2O中加入成核剂硼砂;(2)冷指法,即保持一表1几种常用无机水合盐相变材料热物性相变材料熔点℃熔解热kJ/kg防过冷剂防相分离剂Na2SO4·10H2O32.4241硼砂高吸水树脂NaCH3COO·3H2O58.2265CaSO3,1/2H2O+SXanthangum(黄原胶)CaCl2·6H2O29.0180BaCO3,SrCl2,SrCO3HydroxyethylCelluloseNa2HPO4·12H2O40.0279CarvonclackStarchNa2CO3·12H2O32.0
6、267PolyethyleneoxideMg(NO3)2·6H2O89.9167Xanthangum,HydroxyethylCellulose,Poly-Ca(NO3)2·4H2O47.0153炭黑acrylicacid部分冷区使未融化的一部分晶体作为成核剂。对于结晶水合盐的析出问题常采用以下几种解决方法:(1)·10·化学教育2004年第10期加入某种增稠剂,如在Na2SO4·10H2O加入适量的活性白土;(2)加入晶体结构改变剂;(3)盛装相变材料的容器采用薄层结构;(4)摇晃或搅动。几种常用无机水合盐相变材料的热物性见表1。1.2有机储热材
7、料常用的有机储热材料是高级脂肪烃、醇、羧酸及盐类、某些聚合物,其优点是固体成型好,不易发生相分离及过冷,腐蚀性较小,但与无机储热材料相比其导热系数较小。1.2.1石蜡类石蜡主要由直链烷烃混合而成,可用通式CnH2n+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,如C30H62熔点是65.4℃,C40H82熔点是81.5℃,链再增长熔点将趋于一定值。随着链的增长,烷烃的熔解热也增大。由于空间的影响,奇数和偶数的碳原子的烷烃有所不同,偶数碳原子烷烃的同系物有较高的熔解热,链更长时,熔解热趋于相等。在C7H16以上的奇数烷烃和在C2
8、0H42以上的偶数烷烃在7℃～22℃范围内会产生两次相变,在低温处先发生固-固相变,它是链围绕长轴旋转形成的,略高温度时发
