相变材料及其在贮热中的应用

相变材料及其在贮热中的应用

钟学明1　肖金辉2　邓安民1　舒红英1

(1南昌航空工业学院环境与化学工程系,江西,南昌,330034

2南昌航空工业学院环境与化学工程系2003届毕业生)

摘　要:相变材料是绿色材料,种类达4300多种,用于贮热具有清洁和节能的特点。本文系统地介绍了相变材料分类及其特点,主要讨论了相变材料在太阳能、电力、工业热能、建筑物、纺织品等工业与民用方面的应用。

关键词:相变材料　贮热　应用

相变材料在特定的温度(相变温度)发生物相变化,材料的分子排列在有序与无序之间迅速转变,伴随吸收或释放热能的现象来贮存或放出热能,进而调整、控制工作源或材料周围环境温度。二十世纪三十年代以来,特别是受二十世纪七十年代世界性能源危机的影响,相变贮热的基础理论和应用技术研究在美国、德国、日本、加拿大等发达国家迅速崛起并且不断发展。能源消耗快速增长以及伴随而来的环境污染,使得相变材料在贮热中的应用,成为近年来受到国内外广泛重视的课题。

1　相变材料的分类和特点

从贮热材料的贮热方式看,可分为显热式贮热和潜热式贮热。所谓显热式贮热,就是通过贮热加热介质,使贮热材料的温度升高吸收热能而贮热,又称为“热容式贮热”。所谓潜热式贮热,就是通过加热贮热介质到相变温度,使贮热材料发生相变吸收大量热能而贮热,又称为“相交式贮热”。物质由固态转变为液态(熔解),由液态转变为气态(气化),或由固态直接转变为气态(升华),都会吸收热能;而进行逆过程时则释放热能。对于固液相变材料而言,当温度升高时,相变材料吸收热能而熔化,贮存热能;反之,当温度降低时,相变材料释放热能而结晶,放出热能。这就是潜热式贮热所依据的基本原理。材料的相变潜热约为其升高1℃热容的100倍。与显热贮热材料相比,相变贮热材料具有贮热密度高、能够在近似恒温下贮存或放出大量热能、贮存或放出热能的过程容易控制等优点。因此,潜热式贮热材料的研究和应用更加广泛。

1.1　相变材料的分类

相变材料的种类很多,存在形式各种各样,迄今为止,人们研究过的天然和合成的相变材料已超过4300多种。从材料的化学组成来看,可分为无机相变材料、有机相变材料和混合相变材料三类。无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐、金属合金等无机物;有机相变材料包括石蜡、羧酸、酯、多元醇等有机物;混合相变材料主要是有机和无机共融相变材料的混合物。从贮热的温度范围来看,可分为高温、中温和低温三类。高温相变材料主要是一些熔融盐、金属

合金;中温相变材料主要是一些水合盐、有机物和高分子材料;低温相变材料主要是冰、水凝胶,应用于贮冷。从贮热过程中材料相态的变化方式来看,又可分为固液相变、固固相变、固气相变和液气相变四类。固液相变材料和固固相变材料两大类研究较多、发展较快。目前,研究和应用最为广泛的是固液相变材料。固液相变材料包括水合盐、石蜡等;固固相变贮热材料并不是发生了相态的变化,而是相变材料的晶型发生了变化,当然在晶型变化过程中也有热量的吸收和放出。固固相变材料包括高密度聚乙烯、多元醇、以及具有“层状钙钛矿”晶体结构的金属有机化合物。因为气体占有的体积大,固气相变和液气相变体系体积变化大,设备复杂,经济实用性差,所以尽管其相变潜热较大,实际上一般很少用于贮存热能。

1.2　相变材料的特点

理想的相变贮热材料应具有以下特点:相变温度合适、相变潜热高、相变可逆性好,相变时体积变化小、廉价易得、组成稳定、安全无毒、无腐蚀性[8]。然而,同时满足这些要求的相变材料并不多。

无机相变材料中最典型的是结晶水合盐类,这类材料具有相变潜热高、导热系数大、相变时体积变化小、价格便宜等优点。但是,这类材料易出现过冷和相分离现象,对容器腐蚀性较大。过冷现象与材料性质、冷却速度及杂质种类和含量有关。要防止过冷现象常选用过冷倾向、熔点比相变材料略高、组成与性质接近相变材料的化合物。为了防止相分离,需要加入防相分离剂。因此,在实际应用中相变贮热材料通常为多组分的,包括主贮热剂、相变温度调整剂、防过冷剂、促进剂、防相分离剂等。

有机相变材料具有固体成型好、不易发生相分离及过冷现象、腐蚀性较小、性能稳定等优点,但与无机物相比,其导热性较差,熔点较低,相变潜热较低且易挥发、易燃烧、价格昂贵等缺点。

固液相变材料主要优点是价格便宜,但是存在过冷和相分离现象,从而导致贮热性能恶化;易产生泄露问题,污染环境;腐蚀性较大,封装容器价格高等缺点。

与固液相变材料相比,固固相变材料具有不少优点。可以直接加工成型,不需容器盛装;固固相变材料膨胀系数较小,相变时体积变化较小;不存在过冷和相分离现象,不需要加入防过冷剂和防相分离剂;毒性很低,腐蚀性很小;无泄露问题,对环境不产生污染;组成稳定,相变可逆性好,使用寿命长;装置简单,使用方便。固固相变材料主要缺点是相变潜热较低,价格较高。

2　相变材料的应用

利用相变材料贮热和放热的特性,可做成各种贮热节能装置和温控系统,并且具有以下优点:装置简单;使用方便;节能效率高;管理和维修简便;经济效益好。相变贮热材料适用于热能的供应与需求之间失衡的各种情形与场合,包括太阳能、电力、工业余热、建筑物、纺织品、太空站、军事等领域,而且已进入实用阶段。目前,相变贮热材料已用于住宅、办公楼和公共活动场所的取温和保温,绿色建筑,电子通讯,计算机,药品和食物贮存。例如,把六水氯化钙

装封制作的坐垫,适用于家庭、办公室、沙发、汽车、火车等。以下主要讨论相变材料在太阳能、电力、工业余热、建筑物、纺织品等工业和民用方面的应用。

2.1　太阳能贮存

太阳能是巨大的清洁能源宝库,并且具有取用方便的优点,利用太阳能是解决能源危机的重要途径。特别是在一些高山地区,太阳辐射强度较大,而且其他能源短缺,充分利用太阳能则更重要。但是,到达地球表面的太阳辐射能量密度却不高,而且受地理、昼夜和季节等规律性变化的影响,以及阴晴云雨等随机因素的制约,其辐射强度也不断发生变化,而且具有稀薄性、非连续性和不稳定性。为了保持供热或供电装置稳定不间断地运行,就需要通过贮热装置把太阳能贮存起来,在太阳能不足时再释放出来,从而满足生产和生活用能连续和稳定供应的需要。几乎所有用于采暖、供应热水、生产过程用热的太阳能装置都需要贮存热能。

贮存太阳能的贮热材料常用相变材料。相变贮热的效率明显高于显热贮热,如某些水合盐的单位贮热量约为水的7倍,卵石的12倍。JohnG ipps研究了以硫代硫酸钠(Na2S203・5H20)为相变材料贮存太阳能,其熔点为49℃,贮热容量为20lJ/g;阮德水等人研究了以硫酸钠(Na2S04・10H20)为相变材料贮存太阳能,其熔点为32.4℃,贮热容量为125.6J/g。美国管道系统公司(Pipe System lnc.)以CaCl・6H20作为相变材料贮存太阳能,美国太阳能公司(S olar lnc.)以NaS04・10H20作为相变材料贮存太阳能,都是应用较成功的实例。

住宅采用相变材料,白天贮存太阳热能,夜间向室内供热。这样,可提高夜间最低室温,减少室内温度的波动。1987年11月在河北省安国县设计建造了一座农用太阳能温室,内部设置了采用相变贮热材料制成的潜热贮热增温器。利用相变材料的潜热贮热特性,贮存农用栽培温室中白天过量的太阳能。当夜晚温度下降到一定范围后,释放出白天贮存的热能,使一天之中温室内温度曲线的高峰区有所下降,而低谷区有所上升,昼夜之间的温差变小,以保证冬季蔬菜等作物正常生长,而不需另设常规燃料增温设备,节约了蒸汽锅炉、燃油暖风机等基本建设投资和日常燃料的消耗。结果表明,温室冬季夜间最低温度可以提高6℃,增温效果明显。

2.2　电力调峰

2.2.1　普通电站

电力资源严重短缺,同时电力资源却严重浪费。如我国的葛洲坝水利枢纽工程,其高峰与低谷的发电输出功率分别为220万K W和80万K W,用电低谷发不出的电能只有通过放水解决。若能把这部分能源回收和利用,则可大大缓解能源紧张状况。

对于普通电站,利用相变材料进行电力调峰,就是在发电输出功率处于低谷时,将电能转化为热能并且利用相变材料贮存热能,而在发电输出功率处于高峰时,将相变材料贮存的热能释放出来并加于利用。在电站中采用相变材料贮热技术,可以经济地解决高峰负荷,填平需求低谷,比直接调节机组负荷更方便。对于火力电站可以节约燃料,降低电厂的初期投资和