高性能復合相變蓄熱材料的制備與蓄熱燃燒技術

1 緒論

1.1 熱能儲存的方式

1.2 相變蓄熱材料的研究進展

1.3 相變蓄熱的數值模擬與熱力學優(yōu)化

1.4 相變蓄熱技術的應用

1.5 蓄熱燃燒技術的研究現(xiàn)狀

2 相變蓄熱材料的分類與選擇

2.1 相變蓄熱材料的分類

2.2 主要相變蓄熱材料的性能

2.3 相變蓄熱材料的選擇

3 相律和相圖

3.1 相圖在相變過程研究中的重要性

3.2 相律

3.3 相圖與不同晶系的性能分析

3.4 相圖的應用及問題

4 復合相變蓄熱材料制備中的熱力學分析

4.1 熱力學分析在復合相變蓄熱材料制備中的重要性

4.2 熱力學計算的一般方法

4.3 熱力學計算在復合相變蓄熱材料制備中的應用

5 復合相變蓄熱材料的性能評價與檢測

5.1 復合相變蓄熱材料的性能評價

5.2 復合相變蓄熱材料的力學性能與測定

5.3 復合相變蓄熱材料的熱學性能與測定

6 復合相變蓄熱材料的制備與性能

6.1 中低溫復合相變蓄熱材料的制備與性能

6.2 熔融鹽/金屬基復合相變蓄熱材料的制備與性能

6.3 熔融鹽/陶瓷基復合相變蓄熱材料的制備與性能

7 相變蓄熱的傳熱模型與數值模擬

7.1 相變傳熱的數學模型

7.2 一維相變傳熱問題

7.3 多維相變傳熱問題

7.4 復合相變蓄熱材料的有效導熱系數的數值模擬

7.5 蜂窩體蓄熱體傳熱的數值模擬

8 蓄熱體的制備及蓄熱室的性能測試

8.1 蓄熱體的類型及其制備

8.2 蓄熱室熱工性能的實驗研究

8.3 蓄熱室性能測試實驗方案

8.4 復合蓄熱材料填充的蓄熱室的熱工性能的變化規(guī)律

8.5 蓄熱室熱工特性的數值模擬

9 高溫空氣蓄熱燃燒的冷態(tài)模化試驗研究

9.1 高溫空氣蓄熱燃燒裝置的冷態(tài)模型的設計

9.2 冷態(tài)?；囼炁_與測試工況

9.3 冷態(tài)?；囼灲Y果與分析

10 高溫空氣蓄熱燃燒冷態(tài)數值模擬

10.1 冷態(tài)試驗數值模擬

10.2 計算結果與實驗結果的對比分析

11 高溫空氣蓄熱燃燒熱態(tài)數值模擬

11.1 高溫空氣蓄熱燃燒熱態(tài)數值模擬的控制方程及條件

11.2 數值模擬結果與分析

11.3 高溫空氣蓄熱燃燒數值模型改進建議

12 高溫空氣蓄熱燃燒系統(tǒng)與熱態(tài)試驗

12.1 高溫空氣蓄熱燃燒系統(tǒng)關鍵設備

12.2 高溫空氣蓄熱燃燒系統(tǒng)熱態(tài)試驗

12.3 試驗結果與分析

參考文獻2100433B

本書系統(tǒng)介紹了相變蓄熱的基礎理論和國內外近年來的主要研究成果以及高溫空氣蓄熱燃燒技術，內容包括：相變蓄熱的概述、相變蓄熱材料的分類與選擇、相律和相圖、復合相變蓄熱材料制備中的熱力學分析、復合相變蓄熱材料的性能評價與檢測、復合相變蓄熱材料的制備與性能、相變蓄熱的傳熱模型與數值模擬、蓄熱體的制備及蓄熱室的性能測試、高溫空氣蓄熱燃燒的冷態(tài)、熱態(tài)數值模擬和高溫空氣蓄熱燃燒的冷態(tài)、熱態(tài)實驗研究等內容。

蓄熱材料相變蓄熱材料

相變蓄熱材料具有蓄放熱過程近似等溫、過程容易控制等優(yōu)點是當今蓄熱材料的研究熱點。1992年，法國首次研制出用于儲存能量的小球，把球態(tài)可變鹽襯裝在聚合物小球中，然后把小球盛裝在可變體積的容器里，蓄熱量為同樣體積水的10倍。

1998年，美國對銨礬和硝酸銨二元相變材料體系進行了研究，并將其應用于太陽能熱水器。我國在19世紀80年代初開始開展相變蓄熱材料的研究，早期集中于相變蓄熱材料中的無機水合鹽類。由于絕大多數無機水合鹽都具有腐蝕性,相變過程存在過冷和相分離等缺點，而有機物相變材料則熱導率低，相變過程的傳熱性能差。為了克服單一無機物或有機物相變蓄熱材料存在的缺點，許多研究者開始開發(fā)復合相變蓄熱材料，如Udidn等以石蠟為相變材料、阿拉伯樹脂和明膠為膠囊體材料制備出膠囊型復合無機相變材料，實驗表明，膠囊化石蠟經過1000次熱循環(huán)，仍能維持其結構形狀和儲熱密度不變,膠囊化技術有效地解決了無機相變材料的泄漏、相分離以及腐蝕性問題。

Xavier制備出有機復合相變材料，將有機物相變蓄熱材料石蠟吸附在具有多孔結構的膨脹石墨內，明顯提高了蓄熱材料的熱導率，如純石蠟的熱導率僅為0.24W/m，而復合石墨后的熱導率提高到4一7W/m。

近年來，有機/無機納米復合材料在聚合物改性以及研制新型蓄熱材料方面得到了廣泛應用。張正國等將有機/無機納米復合材料擴展到蓄熱材料領域,提出將有機相變材料與無機物進行納米復合的方案，制備出硬脂酸/膨潤土納米復合相變蓄熱材料，復合材料的相變潛熱值基本不變而儲放熱速率明顯提高，且經1500次循環(huán)試驗后復合相變材料仍具有很好的結構和性能穩(wěn)定性。有機/無機復合相變蓄熱材料的制備，不僅可利用無機物的高熱導率來提高有機物相變蓄熱材料的導熱性能，而且納米復合技術將有機相變儲熱材料和無機載體充分結合起來，提高復合相變蓄熱材料的蓄熱密度和循環(huán)穩(wěn)定性。

蓄熱材料吸附蓄熱材料

在沸石、硅膠等多孔材料對水發(fā)生物理吸附的過程中，伴隨著大量的物理吸附熱，可以用于熱量的儲存和利用。Close等首先利用開式吸附床的吸附/解吸循環(huán)，以沸石為吸附材料、濕蒸汽(水)為載體實現(xiàn)了低溫熱儲存。吸附蓄熱材料克服了傳統(tǒng)蓄熱方法的缺陷，在蓄熱過程中無熱量損失，為蓄熱技術開辟了新天地。

由于分子篩作為吸附蓄熱材料時對水的吸附屬于物理吸附，吸附平衡量和吸附循環(huán)量不高，因此有研究者利用沸石分子篩規(guī)整而穩(wěn)定的孔隙結構，把對水吸附容量比較高的氯化鈣填充進去，從而制備出既具有高吸附蓄熱容量又具有穩(wěn)定吸附蓄熱性能的復合吸附蓄熱材料。朱冬生等以分子篩為基體，使氯化鈣填充進人分子篩制備出吸附蓄熱復合材料，實驗發(fā)現(xiàn)復一合吸附劑的最大吸附量可達0. 55 kg/kg，，用于蓄熱時其蓄熱密度達到1000 kJ/kg以上，與顯熱蓄熱和相變潛熱蓄熱材料相比在蓄熱能力上具有明顯的優(yōu)勢。

除分子篩吸附蓄熱材料的應用外，硅膠等其他多孔材料也被用于吸附蓄熱技術。如Aristov將CaCl₂植人中孔硅膠內部，崔群等發(fā)現(xiàn)在復合吸附劑的制備過程中還需加入擴孔劑以增加孔容和孔徑，才可改善復合吸附材料的吸附性能，以使其吸附量顯著提高。

在進一步提高復合吸附蓄熱材料的蓄熱能力和循環(huán)方面，MrowierBialon用四乙氧基硅烷制成復合多孔材料，1kg該吸附劑的水蒸氣吸附量超過1kg，而且經過50次循環(huán)實驗，該復合吸附材料的吸附性能無明顯改變。 這種由分子篩等多孔材料和吸濕性無機鹽復合而制得的吸附蓄熱材料，一方面使無機鹽的化學吸附蓄熱循環(huán)過程發(fā)生在多孔材料的孔道內，改善了吸附蓄熱過程的傳熱和傳質性能;另一方面，多孔材料對吸附質也具有吸附作用，不僅提高了復合吸附材料的總吸附量和蓄熱密度，而且物理吸附作為化學吸附的前驅態(tài)還促進了無機鹽的化學吸附。

近年來，蓄熱材料的應用十分廣泛，它在紡織工業(yè)、航天領域、建筑工業(yè)以及空調領域都有較多的應用。

蓄熱材料蓄熱材料在紡織工業(yè)中的應用

20 世紀 70 年代末 80 年代初，美國國家航空航天局空間研究所選擇一種相變材料，利用其存儲和釋放潛熱的性能，將相變材料封裝入微膠囊，形成微膠囊相變材料。采用各種方式將微膠囊相變材料加入紡織品中，制成的紡織品具有溫度調節(jié)功能。它可以根據外界環(huán)境的溫度變化，為人體提供一個舒適的微氣候環(huán)境，在人體與外界環(huán)境之間，對人體體溫起到積極的調節(jié)作用。另外還可以做成運動服裝、滑雪服、滑雪服、手、襪類，它還可以用在理療上，調節(jié)溫度，對病人的病情起到良好的輔助治療作用。

蓄熱材料蓄熱材料在航天領域的應用

高溫蓄熱技術是太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)的關鍵技術之一，通常利用蓄熱材料固液相變時的熔化潛熱來蓄熱。在軌道的日照期，聚能器將截取的太陽能聚集到吸熱器圓柱形腔內，被吸收轉化成熱能，其中一部分熱能傳遞給循環(huán)工質以驅動熱機發(fā)電，其余的熱能被封裝在單元換熱管上多個小容器內的蓄熱材料吸收儲存起來，此時的蓄熱材料部分或全部變?yōu)楣虘B(tài)，儲存的能量被釋放出來，使出口的循環(huán)工質溫度仍能維持在循環(huán)所要求的最低峰值溫度上。保證空間站處于陰影期時熱機仍能連續(xù)工作，保證連續(xù)供電。

蓄熱材料蓄熱材料在建筑工業(yè)中的應用

我們將相變材料加入到傳統(tǒng)建筑材料中組成相變儲能建筑材料，它能夠作建筑結構材料，承受載荷; 同時相變儲能建筑材料又具有較大的蓄熱能力。蓄熱建筑材料具有普通建筑材料無法比擬的熱容，可提高建筑物的熱慣性，使室內溫度變化幅度減小，提高舒適度，并減少采暖或空調設備的開停次數，從而提高設備的運行效率并節(jié)能。而且可以有效利用電網低谷時期電力運行采暖或空調設備并將熱量或冷量儲存在蓄熱建筑材料中，達到平衡電網負荷和節(jié)省運行費用的目的。

蓄熱材料蓄熱材料在空調領域的應用

蓄熱空調裝置是當電網處于低峰負荷時，即在電力負荷的低谷期，在不需裝備鍋爐的條件下，通過熱泵或電熱器產熱，將電能轉化為熱能，利用蓄熱介質的顯熱或潛熱特性，通過專用系統(tǒng)將熱能儲存在專門設置的容器內，而在電力負荷的高峰期將熱量釋放出來，根據需要，自動調節(jié)輸送至空調系統(tǒng)中，以滿足建筑物空調或生產工藝的需要。采用蓄熱空調后，在調荷避峰的情況下，雖然把大負荷的用電設備停止運轉，也能有熱水自保

溫的容器中不斷的在中央空調的變峰量或風機盤管等管道中循環(huán)，繼續(xù)維持空調取暖，使室內仍保持在舒適的環(huán)境中。蓄熱空調無論對供電部門還是對用戶都會受到認可和歡迎的。 2100433B

按蓄熱方式來分，蓄熱材料可以分為四類：顯熱蓄熱材料 、相變蓄熱材料、熱化學蓄熱材料和吸附蓄熱材料。

1、顯熱蓄熱材料

顯熱蓄熱材料是利用物質本身溫度的變化過程來進行熱量的儲存，由于可采用直接接觸式換熱，或者流體本身就是蓄熱介質，因而蓄、放熱過程相對比較簡單，是早期應用較多的蓄熱材料。在所有的蓄熱材料中顯熱蓄熱技術最為簡單也比較成熟。

顯熱蓄熱材料大部分可從自然界直接獲得，價廉易得。顯熱蓄熱材料分為液體和固體兩種類型，液體材料常見的如水，固體材料如巖石 、鵝卵石 、土壤等,其中有幾種顯熱蓄熱材料引人注目 ,如Li2O與Al2O3、TiO2等高溫燒結成型的混合材料。

由于顯熱蓄熱材料是依靠蓄熱材料的溫度變化來進行熱量貯存的 ，放熱過程不能恒溫 ，蓄熱密度小 ，造成蓄熱設備的體積龐大，蓄熱效率不高，而且與周圍環(huán)境存在溫差會造成熱量損失，熱量不能長期儲存，不適合長時間、大容量蓄熱，限制了顯熱蓄熱材料的進一步發(fā)展。

2、相變蓄熱材料

相變蓄熱材料是利用物質在相變（如凝固/熔化、凝結/汽化、固化/升華等）過程發(fā)生的相變熱來進行熱量的儲存和利用。

與顯熱蓄熱材料相比 ，相變蓄熱材料蓄熱密度高,能夠通過相變在恒溫下放出大量熱量。雖然氣一液和氣一固轉變的相變潛熱值要比液一固轉變 、固一固轉變時的潛熱大，但因其在相變過程中存在容積的巨大變化，使其在工程實際應用中會存在很大困難 。根據相變溫度高，潛熱蓄熱可分為低溫和高溫兩種，低溫潛熱蓄熱主要用于廢熱回收 、太陽能儲存以及供熱和空調系統(tǒng)。高溫相變蓄熱材料主要有高溫熔化鹽類 、混合鹽類 、金屬及合金等 ,主要用于航空航天等。常見的潛熱蓄熱材料有六水氯化鈣、三水醋酸鈉 、有機醇等 。

潛熱蓄熱方式具有蓄熱密度較高(一般都可以達到200kJ/kg以上)，蓄、放熱過程近似等溫，過程容易控制等優(yōu)點，因此相變蓄熱材料是當今蓄熱材料研究和應用的主流。

3、熱化學蓄熱材料

熱化學蓄熱材料多利用金屬氫化物和氨化物的可逆化學反應進行蓄熱，在有催化劑、溫度高和遠離平衡態(tài)時熱反應速度快。國外已利用此反應進行太陽能貯熱發(fā)電的實驗研究，但需重點考慮儲存容器和系統(tǒng)的嚴密性，以及生成氣體對材料的腐蝕等問題 。

熱化學蓄熱材料具有蓄熱密度高和清潔、無污染等優(yōu)點 ，但反應過程復雜 、技術難度高 ，而且對設備安全性要求高，一次性投資大，與實際工程應用尚有較大距離。

4、吸附蓄熱材料

吸附是指流體相(含有一種或多種組分的氣體或液體)與具有多孔的固體顆粒相接觸時 ，固體顆粒(即吸附劑)對吸附質的吸著或持留過程。因吸附劑固體表面的非均一性，伴隨著吸附過程產生能量的轉化效應 ，稱為吸附熱。在吸附 脫附循環(huán)中，可通過熱量儲存、釋放過程來改變熱量的品位和使用時間,實現(xiàn)制冷、供熱以及蓄熱等目的。

吸附蓄熱是一種新型蓄熱技術，研究起步較晚 ，是利用吸附工質來對吸附/解吸循環(huán)過程中伴隨發(fā)生的熱效應進行熱量的儲存和轉化。吸附蓄熱材料的蓄熱密度可高達800 ～1000kJ/kg，具有蓄熱密度高、蓄熱過程無熱量損失等優(yōu)點。由于吸附蓄熱材料無毒無污染，是除相變蓄熱材料以外的另一研究熱點，但由于吸附蓄熱材料通常為多孔材料，傳熱傳質性能較差，而且吸附蓄熱較為復雜，是重點研究解決的問題。