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1、相变贮能理论与应用焦冬生 热科学和能源工程系1第一章 贮热相变材料的分类和选择主要内容： 1、贮热相变材料的相变形式 2、有关相变材料的常用术语 3、中常温相变贮能材料性能简介 4、贮热相变材料的遴选原则21、贮热相变材料的相变形式n相变现象 1.固体 液体 凝固与融化 冰雪融化、盐碱溶化、金属熔化、溶液结晶 2.液体 气体 沸腾，凝结 3.固体 气体 升华 凝华 结霜、樟脑挥发 4.固体 固体 转捩31、贮热相变材料的相变形式o当物质分子热运动动能远小于分子间的相互 作用势能时, 分子力作用上升到主要地位, 分子运动降到次要地位, 组成物质的粒子( 分子、原子或离子)只能在各自的平衡位置 附
2、近作微小振动,这就是物质的固态。处于 固态的物质称为固体。41、贮热相变材料的相变形式o相可定义如下:“相是系统中均匀的与其他部分有界面分开的部分。”o所谓均匀的，是指这部分的成分和性质从给 定范围或宏观来说是相同的，或是以一种连 续的方式变化，也就是没有突然的变化。一 个多相系统是不均匀的，在相界处有物理性 质或化学性质或两者兼有突变。例如，在一 个包含有冰和水的两相系统中，其物理性质 在相界面处有突然变化。 51、贮热相变材料的相变形式o在一定条件下，物质不同相之间的相互转变叫做相变。o如果系统中各相经历很长时间而不互相转化，则是 处于平衡状态。实际上相平衡是一种动态平衡，从 系统内部来看
3、，分子或原子仍在相界处不停地转换 ，只不过同一时间内各相之间的转化速度相同。 o相变是有序和无序两种倾向相互竞争的结果。相互 作用是有序的起因，热运动是无序的来源。在热力 学理论中表现为U和ST的消长。在缓慢降温的过程 中，每当温度降低到一定程度，以致热运动不再能 破坏某种特定相互作用造成的有序时，就可能出现 新相。 61、贮热相变材料的相变形式o 自由能方程 两种参数的相互作用o克拉贝龙方程相变过程伴随明显的热 量释放或吸收71、贮热相变材料的相变形式o描述物质状态的三个基本参数不是相互独立的。n这就是物质的状态方程o理想气体o范德瓦尔斯方程81、贮热相变材料的相变形式理想气体范德瓦尔斯气体
4、CO2实验等温线 91、贮热相变材料的相变形式相变分类厄伦菲斯特依据热力学势及其导数的连续性对相变进行分类。n自由能、内能都是热力学函数。它们的第一阶导数是压力(或 体积)、熵(或温度)、平均磁化强度等等，而第二阶导数给出 压缩率、膨胀率、比热磁化率。101、贮热相变材料的相变形式n凡是热力学势本身连续，而第一阶导数不连续的状态突 变，称为第一类相变。第一阶导数不连续，表示相变伴 随着明显的体积变化和热量的吸放(潜热)。n 热力学势和它的第一阶导数连续变化，而第二阶导数不 连续的情形，称为第二类相变。这时没有体积变化和潜 热，但比热、压缩率、磁化率等物理量随温度的变化曲 线上出现跃变或无穷的尖
5、峰。超流和没有外磁场的超导 转变、气液临界点，以及大量磁相变，属于二类相变。111、贮热相变材料的相变形式o相变图12固液相变o 固体点阵排列对应于势能最小，固体吸热 之初，温度升高，固体粒子能量增加到一定 程度（熔点）可摆脱束缚，点阵结构解体， 从而固体变为液体。温度不变是因为吸收的 热几乎全部用于增加相互作用能。 13材料名称转变温度转变热 kJ/kgPentaerythritol季戊四醇 C(CH2OH)4 Pentaglycerine五甘氨酸 Li2SO4 Cross-linked polyethene交联聚乙烯 KHF2 Neopentyl glycol新戊二醇C5H12O2 三羟甲
6、基乙烷 2,2-二甲基-1,3丙二醇 2,2-二羟甲基丙酸188 81 578 120-140 196 43 固固相变温度 86(202) 44(123-127) 153(189)323 216 214 192 335 130161 125 287附表8 固-固相变材料相变物性表14季戊四醇o季戊四醇粉尘在空气中的浓度达30g/m3以上时，能 与空气形成爆炸性混合物，当超过400时发生爆 炸。故宜贮存在阴凉、干燥、通风处，防潮、防火 。按一般化学品规定贮运。 o物化性质 n白色粉末状结晶。密度1.395g/cm3。熔点261262。 沸点（4kPa)276。燃点370。气化热92kJ/mol，
7、 升华热131.5kJ/mol。n易被一般有机酸酯化，与稀烧碱溶液同煮无反应。15 时1g溶于18mol水。溶于乙醇、甘油、乙二醇、甲酰胺。 不溶于丙酮、苯、四氯化碳、乙醚和石油醚等。15硫氰化铵NH4SCN固固相变的储能性能相态始态温度终态温 度转变温度峰温转变焓 kJ/kg- - -90.83 116.23 146.6895.83 121.56 155.7391.86 118.42 150.1192.95 119.94 151.6144.33 5.33 128.2216u无机类o结晶水合盐 （salt hydrate）附表1 结晶水合盐类热物性表o熔融盐(molten salt)附表2 一
8、些无机化合物的热物性表o其它：水，硅o金属（包括合金）附表12-1到12-5及附表152.贮热相变材料的分类172.贮热相变材料的分类o热物性 潜热 导温系数 u 导热系数/(比热*密度) 相变温度18醋酸盐 类硝酸盐 类硫酸盐 类 磷酸盐 类碳酸盐 类 卤化物 类NaCH3COO3H2O NaCH3COO2H2O LiCH3COO2H2O Mg(NO3)26H2O Mg(NO3)24H2O Ca(NO3)24H2O Zn(NO3)24H2O Zn(NO3)26H2O Zn(NO3)2H2O Na2SO410H2O FeSO47H2O Na2HPO412H2O K3PO47H2O Na3PO4
9、12H2O Na2CO312H2O CaCl26H2O KF2H2O KF4H2O常用结晶水合盐类 19常用结晶水合盐类热物性表20材料名称熔点 熔解热 kJ/kg比热kJ/kgK Liquid solid 导热 系数 W/mK1 共融系统 Mg(NO3)26H2O MgCl26H2O Zn(NO3)26H2O 2 部分共融系统 Na2S2O35H2O CaCl26H2O 3 非共融系统 Na2SO410H2O89.9 115.0 36.148.5 29.732.4167 165 147210 1702411.84 1.72 1.341.46 1.461.762.51 2.82 2.262.3
10、8 2.133.300.490 95 0.570 120 0.464 39.9 0.57 40 0.540 38.7 0.544附表1 结晶水合盐类热物性表21附表2 无机化合物(高温)材料名称相变温度 比热 kJ/kgK导热 系数 W/mK熔解热 kJ/kg溶解熵 kJ/kgK密度 kg/m3NaF NaCl KF MgCl2 Al Mg LiNo3 KCl Na2CO4 K2CO4 KBr Ca LiBr Na2SO4 NaOH995 804 856 714 659 650 252 772 852 898 734 848 550 884 293 319789 486 484 452 401
11、 372 370 346 290 235 222 218 202 202 3010.622 0.452 0.428 0.459 0.430 0.404 0.705 0.332 0.259 0.199 0.220 0.194 0.246 0.175 0.6412.80 2.16 2.48 2.32 2.70 1.74 2.37 1.99 2.532.75 1.55 3.46 2.69 2.1322附表12-1Al的比热（ kJ/kgK ） 、潜热（ kJ/kg ）值文献123456 固态比热1.291.0840.9490.9200.9530.912-1.031 液态比热1.20 潜热400395
12、.7388400387342-40523水和水蒸气性质表 饱和状态（按温度排列）t 103P a vm3/kgv“ m3/kgh kJ/kgh“ kJ/kgr kJ/kgs kJ/kgKs“ kJ/kgK00.6112 90.00100022202.154-0.052500.512500.56-0.00029.15440.010.61170.00100021206.01202500.532500.5309.154110.6571 60.00100018192.4644.182502.352498.170.01539.127820.7060 5100013179.7878.392504.1924
13、95.80.03069.101430.7581 30.00100009168.04112.612506.032493.420.04599.075240.8135 90.00100008157.15116.822507.872491.050.06119.049350.87260.00100008147.04821.022509.712488.690.07639.023660.9353 70.0010001137.6725.222511.552486.330.09138.998271.00210.00100014128.96129.422513.392483.970.10638.97381.073
14、0.00100019120.86833.622515.232481.610.12138.94891.14820.00100026113.34237.812517.062479.250.13628.9233101.22810.00100034106.341422518.92476.90.1518.8988 24名 称熔点温度导热 系数密度比热粘度Pt数 汞钾铋铅-38.363.9271.1327.315 150 300 150 300 500 700 350 500 7008.136 11.623 14.064 44.981 16.505 15.575 15.575 16.272 15.575
15、14.00613550 13200 12800 810 10020 9770 9530 10500 10350 101000.138 0.138 0.134 0.796 0.144 0.152 0.162 0.159 0.155 0.1555.73 3.95 3.11 1.34 5.95 4.27 3.35 8.65 6.92 4.930.027 0.012 0.0084 0.0066 0.0144 0.0116 0.0097 0.0235 0.019 0.015液态金属的物性25o石蜡类附表6 石蜡类物性表，熔点范围宽，潜热高。o脂酸类（fatty acid）附表3 脂酸类热物性表o其它有机
16、相变材料附表5 一些有机物热物性表有机类26名称碳 原 子 数分子 量熔点熔解热 Kcal/kg密度70 g/ml体积收缩率 固化 转变n-Dodecane n-Tridecane n-Tetradecane n-Pentadecane n-Hexadecane n-Hepeadecane n-Octadecane n-Nonadecane n-Eicosane n-Heneicosane n-Docosane n-Tricosane12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23170 184 198 212 226 240 254 268 282 296 310 324
