相變材料與相變儲能技術(shù)

內(nèi)容簡介

《相變材料與相變儲能技術(shù)》論述了材料相變的原理和材料熱力學的基礎(chǔ)理論，全面介紹了各種無機、有機、金屬和其他復合相變儲能材料的成分、物理和化學性質(zhì)、儲熱性能及其對容器的腐蝕與防護；同時論述了相變儲能技術(shù)的原理、特點和研究范圍，相變過程傳熱理論，相變傳熱的數(shù)值分析，儲能換熱設(shè)備及絕熱技術(shù)的設(shè)計計算基礎(chǔ)和試驗方法?！断嘧儾牧吓c相變儲能技術(shù)》還比較詳細地介紹了相變儲能技術(shù)在電力調(diào)峰、新能源、工業(yè)和建筑節(jié)能及在家用電器工業(yè)上的工程應(yīng)用的原則、方法和實例，既具有深入的理論，又具有實用的相變材料研制和儲能裝置設(shè)計計算方法。 2100433B

相變材料概述

相變材料可分為有機（Organic）和無機(Inorganic) 相變材料。亦可分為水合鹽（Hydrated Salts）相變材料和蠟質(zhì)(Paraffin Wax)相變材料。

我們最常見的相變材料非水莫屬了，當溫度低至0°C 時，水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)（結(jié)冰）。當溫度高于0°C時水由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)（溶解）。在結(jié)冰過程中吸入并儲存了大量的冷能量，而在溶解過程中吸收大量的熱能量。冰的數(shù)量（體積）越大，溶解過程需要的時間越長。這是相變材料的一個最典型的例子。

相變材料應(yīng)用于電采暖行業(yè)，是傳統(tǒng)電采暖邁向節(jié)能電采暖的革命性轉(zhuǎn)變，相變熱電暖器就是其中代表產(chǎn)品，相對傳統(tǒng)電暖器可節(jié)能60%-70%。

從以上的例子可看出，相變材料實際上可作為能量存儲器。這種特性在節(jié)能，溫度控制等領(lǐng)域有著極大的意義。因此，相變材料及其應(yīng)用成為廣泛的研究課題。

有機相變材料和無機相變材料的最大區(qū)別在于運用到建筑材料等方面耐久性和防火性的差異，后者多優(yōu)于前者。

相變材料蓄熱機理與特點

相變材料具有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)的能力。以固－液相變?yōu)槔?，在加熱到熔化溫度時，就產(chǎn)生從固態(tài)到液態(tài)的相變，熔化的過程中，相變材料吸收并儲存大量的潛熱；當相變材料冷卻時，儲存的熱量在一定的溫度范圍內(nèi)要散發(fā)到環(huán)境中去，進行從液態(tài)到固態(tài)的逆相變。在這兩種相變過程中，所儲存或釋放的能量稱為相變潛熱。物理狀態(tài)發(fā)生變化時，材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變，形成一個寬的溫度平臺，雖然溫度不變，但吸收或釋放的潛熱卻相當大。

相變材料的分類相變材料主要包括無機PCM、有機PCM和復合PCM三類。其中，無機類PCM主要有結(jié)晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類等；有機類PCM主要包括石蠟、醋酸和其他有機物；復合相變儲熱材料的應(yīng)運而生，它既能有效克服單一的無機物或有機物相變儲熱材料存在的缺點，又可以改善相變材料的應(yīng)用效果以及拓展其應(yīng)用范圍。因此，研制復合相變儲熱材料已成為儲熱材料領(lǐng)域的熱點研究課題。但是混合相變材料也可能會帶來相變潛熱下降，或在長期的相變過程中容易變性等缺點。

相變材料什么是相變

物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程。物質(zhì)系統(tǒng)中物理、化學性質(zhì)完全相同，與其他部分具有明顯分界面的均勻部分稱為相。與固、液、氣三態(tài)對應(yīng)，物質(zhì)有固相、液相、氣相。

一級相變

在發(fā)生相變時，有體積的變化同時有熱量的吸收或釋放，這類相變即稱為“一級相變”。例如，在1個大氣壓0℃的情況下，1千克質(zhì)量的冰轉(zhuǎn)變成同溫度的水，要吸收79.6千卡的熱量，與此同時體積亦收縮。所以，冰與水之間的轉(zhuǎn)換屬一級相變。

二級相變

在發(fā)生相變時，體積不變化的情況下，也不伴隨熱量的吸收和釋放，只是熱容量、熱膨脹系數(shù)和等溫壓縮系數(shù)等的物理量發(fā)生變化，這一類變化稱為二級相變。正常液態(tài)氦（氦Ⅰ）與超流氦（氦Ⅱ）之間的轉(zhuǎn)變，正常導體與超導體之間的轉(zhuǎn)變，順磁體與鐵磁體之間的轉(zhuǎn)變，合金的有序態(tài)與無序態(tài)之間的轉(zhuǎn)變等都是典型的二級相變的例子。

相變材料航天

由于外太空溫度屬于極寒或極熱環(huán)境，對宇航員、航天器的保護要求非常嚴格，普通材料無法適應(yīng)惡劣條件，因此，需要特殊材料進行保護。美國和前蘇聯(lián)科學家首先研制出相變材料，使得宇航員的服裝、返回艙外殼等得以應(yīng)用。該技術(shù)一直處于壟斷地位。我國進入21世紀以來，經(jīng)過科學家的不斷努力，已經(jīng)克服了關(guān)鍵技術(shù)部分，開始進行實際運用。

相變材料建筑

相變材料引用到建筑，是建筑領(lǐng)域革命性發(fā)展。主要作用結(jié)果是節(jié)能。

相變材料服裝

在服裝領(lǐng)域，使用相變材料，將相變材料植入纖維中，可以極大的改變?nèi)藗兊纳钯|(zhì)量，不使用任何能源，可以讓普通衣服變成微空調(diào)。

相變材料制冷設(shè)備

傳統(tǒng)制冷設(shè)備，如空調(diào)、冷藏車、冷庫，均是采取壓縮機制冷技術(shù)進行制冷，不僅耗電，而且不環(huán)保。采用相變技術(shù)，可以替代壓縮機進行制冷，節(jié)能60%以上。

相變材料軍事

一旦裝備部隊，將是相變材料一重大貢獻。軍車、軍人服裝、艦船、飛機、坦克、潛艇等軍事各個方面，均是相變材料運用的重要領(lǐng)域，可以極大的提高戰(zhàn)斗力和防護持久能力。

相變材料通訊、電力

在通訊、電力等設(shè)備箱（間）降溫方面，相變材料可以節(jié)省設(shè)備成本75%以上。在通訊領(lǐng)域，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通訊基站的機房、電池組間，使傳統(tǒng)的一年壽命的設(shè)備可以延長到4年或更多。

相變材料應(yīng)具備的特點

用于建筑圍護結(jié)構(gòu)的相變建筑材料的研制，選擇合適的相變材料至關(guān)重要，應(yīng)具有以下幾個特點：（1）熔化潛熱高，使其在相變中能貯藏或放出較多的熱量；（2）相變過程可逆性好、膨脹收縮性小、過冷或過熱現(xiàn)象少；（3）有合適的相變溫度，能滿足需要控制的特定溫度；（4）導熱系數(shù)大，密度大，比熱容大；（5）相變材料無毒，無腐蝕性，成本低，制造方便。

在實際研制過程中，要找到滿足這些理想條件的相變材料非常困難。因此，人們往往先考慮有合適的相變溫度和有較大相變潛熱的相變材料，而后再考慮各種影響研究和應(yīng)用的綜合性因素。

相變材料存在問題研究

現(xiàn)存的問題主要在相變儲能建筑材料耐久性以及經(jīng)濟性方面。

耐久性主要表現(xiàn)三個方面：

相變材料在循環(huán)過程中熱物理性質(zhì)的退化問題；相變材料易從基體的泄漏問題；相變材料對基體材料的作用問題。

經(jīng)濟性主要表現(xiàn)：

如果要最大化解決上述問題，將導致單位熱能儲存費用的上升，必將失去與其他儲熱法或普通建材競爭的優(yōu)勢。相變儲能建筑材料經(jīng)過20多年的發(fā)展，其智能化功能性的特點勿容置疑。隨著人們對建筑節(jié)能的日益重視，環(huán)境保護意識的逐步增強，相變儲能建筑材料必將在今后的建材領(lǐng)域大有用武之地，也會逐漸被人們所認知，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

相變材料代表人物

徐祖耀院士，在馬氏體相變、貝氏體相變、形狀記憶材料及材料熱力學諸領(lǐng)域研究獲豐碩成果。揭示了無擴散的馬氏體相變中存在間隙原子的擴散，由此重新定義了馬氏體相變、修正了經(jīng)典動力學方程；成功地由熱力學計算鐵基。

1995年當選為中國科學院院士。 2100433B