相变蓄热材料综述

相变虚热材料综述蓄热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，可用于解决热能供给与需求失配的矛盾，在太阳能利用、电力“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑和空调的节能等领域具有广泛的应用前景，是世界范围内的研究热点．目前，主要的蓄热方法有显热蓄热、潜热

量级，而且放热温度恒定，但其储热介质一般有过冷、相分离、易老化等缺点。

一相变蓄热材料的分类

根据相变种类的不同，相变蓄热一般分为四类:固一固相变、固一液相变、液一气相变及固一气相变。由于后两种相变方式在相变过程中伴随有

大量气体的存在，使材料体积变化较大，因此尽管它们有很大的相变热，但在实际应用中很少被选用，固一固相变和固一液相变是实际中采用较多的相变类型。根据材料性质的不同，一般来说相变蓄热材料可分为:有机类、无机类及混合类相变蓄热材料。其中，石蜡类、脂酸类是有机类中的典型相变蓄热材料;结晶水合盐、熔融盐和金属及合金等是无机类中的典型相变

使未融化的一部分晶体作为成核剂，这种方法文献上称为冷指(Cold finger)法，虽然操作简单，但行之有效∞J．为了解决相分离的问题，防止残留固体物沉积于容器底部，人们也研究了一些方法，一种是将容器做成盘状，将这种很浅的盘状容器水平放置有助于减少相分离；另一种更有效的方法是在混合物中添加合适的增稠剂，防止混合物中成分的分离，但并不妨碍

相变过程。

有机相变材料主要包括石蜡，脂肪酸及其他种类．石蜡主要由不同长短的直链烷烃混合而成，可用通式C。H抖：表示，可以分为食用蜡、全精制石蜡、半精制石蜡、粗石蜡和皂用蜡等几大类，每一类又根据熔点分成多个品种．短链烷烃的熔点较低，随着碳链的增长，熔点开始增长较快，

墨、陶瓷、膨润土、微胶囊等．膨胀石墨是由石墨微晶构成的疏松多孔的蠕虫状物质，它除了保留了鳞片石墨良好的导热性外，还具有良好的吸附性[1引．陶瓷材料有耐高温、抗氧化、耐化学腐蚀等优点，被大量地选做工业蓄热体．主要的陶瓷材质有石英砂、碳化硅、刚玉、莫来石质、锫英石质和堇青石质等．膨润土有独特的纳米层问结构，采用“插层法”将有

机相变材料嵌入其层状空间，制备有机／无机纳米复合材料，是开发新型纳米功能材料的有效途径，微胶囊相变材料口阳是用微胶囊技术制备出的复合相变材料。在微胶囊相变材料中发生相变的物质被封闭在球形胶囊中，有效地解决了相变材料的泄漏、相分离及腐蚀等问题，有利于改善相变材料的应用性能，并可拓宽相变蓄热技术的应用领域。

PCM

高温相变材料通常具有一定的高温腐蚀性，通常需要对其进行封装。微封装的相变材料具有许多优点，促使人们对此进行研究。Heine等人研究了4种金属对熔点在235～857℃的6种熔融盐的耐腐蚀性能。Lane对不同的材料在不同尺寸下封装的优点和缺点进行分析，并对材料的兼容性进行了研究．由于用途广泛，很多个人和公司。如BASF已加入了相变材料微封装

的研究行列。微封装相变材料在不同热控制领域的潜在应用将受到其成本的限制，但对于太空应用，热控制性能远重于其成本。一些研究人员认为，相变材料微封装技术将是太空技术的一个里程碑

高温相变复合材料的研究进展

将相变材料同耐腐蚀性好的常规材料复合是高温相变材料的研究方向

该

对象的单管相变蓄热模型，并对系统进行了数值分析，得到了循环工质气体出口温度、相变材料容器最高温度和平均壁温等参数的瞬态变化曲线，数值计算与试验结果吻合良好；王华等人建立了球形相变蓄热复合材料的放热模型，采用焓增法研究了相变材料的相变潜热、基体的导热系数、复合材料的尺寸以及复合蓄热材料与流体间的传热系数等因素对放热过程的

影响；Gong等人[29]建立了以管侧为传热流体、壳侧填充相变材料的管壳式换热器的蓄一放热模型，研究了蓄热过程和放热过程对相变蓄热系统效率的影响．采用有限元法对导热型融解进行数值分析．结果表明，导热型相变材料的蓄热系统的传热流体以同侧布置较好；CostaE舡3妇认为，热惯性、系统不稳定、热损失、密度的变化、假定热物性为常数等因素造成理

对圆

％；

明，当相变材料的相变温度Tc为环境温度L和热源温度T“的几何平均值时，效率最高．

相变蓄热技术的应用

人们对相变蓄热技术的研究虽然只有几十年的历史，但它的应用十分广泛，已成为日益受到人们重视的一种新兴技术。该技术主要有以下几个

方面的应用。

工业过程的余热利用

工业过程的余热既存在连续型余热又存在间断型余热。对于连续型余热，通常采取预热原料或空气等手段加以回收，而间断型余热因其产生过程的不连续性未被很好的利用，如有色金属工业、硅酸盐工业中的部分炉

作时，助燃空气流经蓄热系统的换热通道，与另一侧的相变材料进行换热，储存在相变材料中的热量传递到被加热流体，达到预热的目的。相变蓄热换热装置一个特点是可以制造成独立的设备，作为工业加热设备的余热利用设备使用时，并不需要改造加热设备本身，只要在设备的管路上进行改造就可以方便地使用。蓄热室式蓄热系统在工业加热设备的余热利用系统

中，传统的蓄热器通常采用耐火材料作为吸

收余热的蓄热材料，由于热量的吸收仅仅是依靠耐火材料的显热热容变化，这种蓄热室具有体积大、造价贵、热惯性大和输出功率逐步下降的缺点，在工业加热领域难以普及应用。相变蓄热系统是一种可以替代传统蓄热器的新型余热利用系统，它主要利用物质在固液两态变化过程中的潜

产过程用热等的太阳能装置都需要储存热能。即使在外层空间，在地球轨道上运行的航天器由于受到地球阴影的遮挡，对太阳能的接受也存在不连续的特点，因此空间发电系统也需要蓄热系统来维持连续稳定的运行。太阳能蓄热技术包括低温和高温两种。水是低温太阳能蓄热系统普遍使用的蓄热介质，石蜡以及无机水合盐也比较常用;高温太阳能蓄热系统大多使用

高温熔融盐类、混合盐类、金属或合金作为蓄热介质。另外，能源储存技术也可以用在建筑物采暖方面。在夏天日照强烈时，利用太阳能加热器加热水并储存于地下蓄水层或隔热良好的地穴中，到冬天来临时，利用储存的热水就可取暖。1982年，美国已成功研制出一种利用NaZSO4·IOH20共熔物作为蓄热芯的太阳能建筑板，并在麻省理工学院建筑系实验楼进行了实

阳能热动力发电技术，空间热动力发电系统主要分为四大部分:聚能器、吸热/蓄热器、能量转化部分及辐射器。能量转化部分又主要包括涡轮、发电机和压气机。它的主要工作原理是:利用抛物线型的聚能器截取太阳能，并将其聚集到吸热/蓄热器的圆柱形空腔内，被吸收转换成热能其中一缈热能传递给循环工质以驱动热机发电，另一部分热量则被封装在多个小容器的