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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划相变蓄热材料(共4篇)1文献综述相变蓄热材料相变蓄热材料的研究背景随着全球能源形势的日益紧张，节能与环保受到世界各国越来越多的重视。但是由于能源的供给与需求具有较强的时间性和空间性，在许多能源利用系统中(如太阳能系统、建筑物空调和采暖系统、冷热电联产系统、余热废热利用系统等)存在着供能和耗能之间的不协调性(失配)，从而造成了能量利用的不合理性和大量浪费。例如：在不需要热时，却有大量热的产生，有时候供应的热却有很大一部分作为余热被损失掉，这些都需要一种类似于储水池储水一样的物质把热量储
2、存起来，需要时再释放出来，这样的物质称为热能储存材料(蓄热材料)。人们对蓄热材料，特别是相变蓄热材料的认识和研究是近几十年的事情。二十世纪二十年代以来，特别是七十年代能源危机的影响，相变蓄热的基础和应用技术研究在发达国家迅速崛起，并得到不断的发展，日益成为受人重视的新材料。在太阳能利用、电力的“削峰填谷”、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑采暖与空调的节能领域具有广泛的应用前景，近年来已成为世界范围的研究热点。相变储能材料作为储能技术的基础，在国内外得到了极大的发展。相变蓄热材料的分类根据蓄热材料的化学组成分类(1)无机相变材料主要包括结晶水合盐、熔融盐、金属或合金。结晶水合盐通常是中、低
3、温相变蓄能材料中重要的一类，价格便宜，体积蓄热密度大，熔解热大，熔点固定，热导率比有机相变材料大，一般呈中性，且工作温度跨度比较大，更重要的是可在高温下进行蓄热。例如KNO3-NaNO3熔盐、K2CO3-Na2CO3熔盐、CaCl26H2O、Na2HPO412H2O、Na2CO310H2O、Na2SO45H2O等1。但其在使用过程中会出现过冷、相分离等不利因素，严重影响水合盐的广泛应用2-3。(2)有机相变材料主要包括石蜡,脂肪酸、某些高级脂肪烃、醇、羧酸及盐，包括石蜡类、非石蜡类、某些聚合物等。大部分的脂肪酸都可以从动植物中提取,其原料具有可再生和环保的特点,是近年来研究的热点。其他还有有机
4、类的固-固相变材料,如高密度聚乙烯,多元醇等。这种材料发生相变时体积变化小,过冷度轻,无腐蚀,热效率高,是很有发展前途的相变材料4。(3)复合材料蓄热主要是指相变材料和高熔点支撑材料组成混合储热材料的蓄热方式。与普通固-液相变材料相比，它不需要封装器具，减少了封装成本和封装难度，避免了材料泄漏的危险，增加了材料使用的安全性，减小了容器的传热热阻，有利于相变材料与传热流体间的换热，例如定形石蜡丸、表面交联型HDPE5。材料的复合化可将各种材料的优点集合在一起,制备复合相变材料是潜热蓄热材料的一种必然的发展趋势。根据蓄热方式进行分类(1)显热蓄热是通过蓄热材料的温度的上升或下降来储存热能。这种蓄热
5、方式原理简单、技术较成熟、材料来源丰富及成本低廉，因此广泛地应用于化工、冶金、热动等热能储存与转化领域。常见的显热蓄热介质有水、水蒸汽、沙石等，这类材料储能密度低且不适宜工作在较高温度下。(2)潜热蓄热是利用相变材料发生相变时吸收或放出热量来实现能量的储存，具有单位质量(体积)蓄热量大、温度波动小(储、放热过程近似等温)、化学稳定性好和安全性好等特点。常见的相变过程主要有固-液、固-固相变两种类型。固-液相变是通过相变材料的熔化过程来进行热量储存，凝固过程来放出热量；而固-固相变则是通过相变材料的晶体结构发生改变或固体结构进行有序-无序的转变而可逆地进行储、放热。当前正在考虑的潜热蓄热材料有：
6、氟化物、硫酸盐、硝酸盐以及石蜡等有机蓄热材料。(3)化学反应蓄热是利用可逆化学反应通过热能与化学热的转化来进行储能的。它在受热或冷却时发生可逆反应，分别对外吸热或放热，这样就可以把热能储存起来。其主要优点是蓄热量大，不需要绝缘的储能罐，而且如果反应过程能用催化剂或反应物控制，可长期储存热量。根据蓄热温度范围进行分类(1)低温范围100以下的蓄热。低温蓄热主要用于废热回收、太阳能低温热利用及供暖空调系统。蓄热系统组成简单、成本较低，常用的蓄热材料有水、水-砂、岩石等，其中热水应用的最为广泛。在此应用温度范围内的蓄热技术基本成熟。(2)中温范围100250的蓄热。中温PCM效率相对较低,体积和质量
7、相对庞大,各方面要求相对也低,适合大规模应用,主要针对地面民用领域，经常作为产业的加热源，可用于化工生产、冶金、发电等场合。(3)高温范围250以上的蓄热。高温蓄热常用于高温余热回收利用、热机、太阳能热发电、太阳能热解制氢、磁流体发电以及人造卫星等场合。对于回收的热能，无论数量和温度随时间变动都比较小时，可采用余热锅炉，以高温高压的水蒸气形式回收，或转换为电力或作为热源进行有效地利用。相变蓄热材料的遴选原则在能源供给渐趋紧张的今天,相变材料以其独特性越来越受到人们广泛的重视,越来越多的领域开始应用相变材料。相变材料是利用相变潜热来储能和放能,因此在相变材料的研制中,选择合适的材料是非常重要的。
8、理想的相变材料应具有以下性质:热力学性能：1）具有适当的相变温度；2）具有适当的相变潜热；3）密度大；4）比热较大；5）导热系数大；6）融化一致；7）相变过程中体积变化小；8）蒸汽压低动力学性能：1）凝固过程过冷度很小或基本没有,融化后结晶应在它的凝固点温度,这决定于高成核速率和晶体生成速率；2）要有很好的相平衡性质,不会产生相分离；3）要有较高的固化结晶速率。化学性能：1）化学稳定性要好,无化学分解,以保证蓄热介质有较长的寿命周期；2）化学稳定性要好,无化学分解,以保证蓄热介质有较长的寿命周期；3)对容器材料无腐蚀作用；4）无毒、不燃、不爆炸、对环境无污染作用等。经济性能：1）来源方便,容易
9、得到；2）价格便宜。相变蓄热材料的应用相变储热的应用研究主要集中在太空太阳能动态发电系统(DSP)储热、地面太阳能的直接热利用、建筑物围护结构储热和转移电力峰值负荷、平衡电力应用的空调储热,其次还有工业余热废热回收系统储热等。在太阳能方面的应用太阳能清洁、无污染,而且取用方便。利用太阳能是解决能源危机的重要途径之一。但是到达地球表面的太阳辐射能量密度偏低,且受到地理、季节、昼夜及天气变化等因素的制约,表现出稀薄性、间断性和不稳定性等特点。为了保证供热或供电装置的稳定不间断的运行,需要利用到相变储能装置,在能量富裕时储能,在能量不足时释能6。美国的管道系统公司(PipeSystemsInc)应用
10、CaCl26H2O作为相变材料制成储热管,用来储存太阳能和回收工业中的余热。工业余热利用在冶金、玻璃、水泥、陶瓷等部门都有大量的各式高温窑炉，它们的能耗非常之大,但热效率通常低于30%,节能的重点是回收烟气余热(有的热损失达50%以上)。传统的做法是利用耐火材料的显热容变化来储热,这种储热设备的体积大、储热效果不明显。如果改用相变储热系统,则储热设备体积可减小30%50%,同时可节能15%45%,还可以起到稳定运行的作用。在建筑方面的应用有关资料显示:社会一次能源总消耗量的1/3用于建筑领域。提高建筑领域能源使用效率,降低建筑能耗,对于整个社会节约能源和保护环境都具有显著的经济效益和社会影响。
11、利用相变储能建筑材料可有效利用太阳能来蓄热或电力负荷低谷时期的电力来蓄热或蓄冷,使建筑物室内和室外之间的热流波动幅度减弱、作用时间被延迟,从而降低室内的温度波动,提高舒适度,以及节约能耗。据AthienitisA.K.7等报道,利用浸入了硬脂酯丁酯的相变墙板,可使房间的最高温度下降4。相变储能材料在其它领域的应用相变储能材料的应用涉及面很广。选用Mg(NO3)26H2O作为主储热材料，MgCl26H2O作为添加剂调节相变温度,可以用于处理发热发电系统产生的城市废热(温度在60100)8。在冷藏系统中,用主要为Na2SO410H2O、NH4Cl和KCl的混合物作为相变储能材料代替传统的换热体系9
12、,能够提高冷藏系统的性能,有利于缓解高峰制冷负荷、克服开门期间的能量损失和满足较长停电期间的制冷需要。另外相变储能材料在纺织服装10、温室种植11等领域都有应用。随着相变材料基础和应用研究的不断深入,相变材料应用的深度和广度都将不断拓展。相变储能材料研究存在的问题现阶段相变储能材料的研究困难主要表现以下三方面12:(1)相变储能材料的耐久性,这个问题主要分为三类。首先,相变材料在循环相变过程中热物理性质的退化。其次,相变储能材料在长期循环使用过程中会出现渗漏和挥发的现象,表现为在材料表面结霜。另外,相变材料对基体材料的作用,相变材料相变过程中产生的应力使得基体材料容易破坏，同时它也会对附属设备
13、会产生一定程度的腐蚀作用。(2)相变储能材料的经济性问题,是制约其推广应用的障碍,表现为各种相变储能材料及相变储能复合材料价格较高,导致单位热能的储存费用上升,失去了与其他储热方法的比较优势。(3)相变储能材料的储能性能问题,对于相变储能复合材料,为使储能体更加小巧和轻便,要求相变储能复合材料具有更高的储能性能。目前的相变储能复合材料的储能密度普遍小于120J/g,并且其导热性能普遍较差。有学者预测,通过增加相变物质在复合材料中的含量和选择相变焓更高的相变物质,在未来数年内,将有可能将相变储能复合材料的储能密度提高到150200J/g。高温相变蓄热材料高温相变材料的种类高温相变蓄热材料主要用于
14、小功率电站、太阳能发电、工业余热回收等方面,它一般分如下五类:熔融盐:主要为某些碱金属或碱土金属的氟化物、氯化物以及碳酸盐。在氟化物中,还有一些其它金属的非含水盐，它们常具有很高的熔点及很高的熔化潜热,可应用于回收工厂高温余热等。氟化物作为蓄热材料时多为几种氟化物的混合物形成低共熔物，以调整其相变温度及蓄热量。氯化物和碳酸盐通常也具有较高的熔点和较大的潜热，也是较好的潜在高温相变材料。金属与合金:所选的金属必须毒性低、价廉，铝及其合金因其熔化热大,导热性高,蒸汽压力低,是一种较好的蓄热物质。碱:碱的比热高,熔化热大,稳定性强,高温下的蒸汽压力低,价格便宜,也是较好的蓄热物质。混合盐:混合盐同其
15、它类高温相变材料相比,最大的优点是物质的熔融温度可调,可根据需要将各种盐类配制成100890温度范围内使用的蓄热物质。很多混合盐同单纯盐相比,熔融时体积变化小,传热好。氧化物:大部分用作潜在相变材料的氧化物的使用温度很高,熔化热较大。高温相变材料的制备工艺目前高温相变蓄能材料的制备方法主要有两种混合烧结法和熔融浸渗法。混合烧结工艺混合烧结法通过在陶瓷配料中混合一定比例的无机盐(即相变材料PCM)和添加剂，然后经过成型、高温烧结，PCM保持在陶瓷基体中而占有一定的空间，使得陶瓷基体烧结成具有网络多孔状结构。优点：制备工艺简单；能按比例配备无机盐与陶瓷粉末；适合高熔点无机盐。缺点：熔融盐流失和蒸发严重；机械强度低，特别是大尺寸制品。该工艺适用于半工业化生产。但材料的选择和配方、相变材料和陶瓷材料的选择是相当苛刻的。首先要遵循陶瓷基体与相变材料的相容性，既要求在高温下二者相互不发生化学反应或固相反应，而又有一定的浸润性，对相变材料来说要求能耐高温，有大的潜热值和比热值以及高的热化学稳定性，对陶瓷基体则主要考虑它在高温熔盐环境中的化学稳定性。另外，熔盐在陶瓷体内能否保持不流动性，
