相變蓄熱研究存在問(wèn)題

現(xiàn)階段相變儲(chǔ)能材料的研究困難主要表現(xiàn)以下三方面:

(1) 相變儲(chǔ)能材料的耐久性, 這個(gè)問(wèn)題主要分為三類(lèi)。首先, 相變材料在循環(huán)相變過(guò)程中熱物理性質(zhì)的退化。其次, 相變儲(chǔ)能材料在長(zhǎng)期循環(huán)使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)滲漏和揮發(fā)的現(xiàn)象, 表現(xiàn)為在材料表面結(jié)霜。另外, 相變材料對(duì)基體材料的作用, 相變材料相變過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力使得基體材料容易破壞，同時(shí)它也會(huì)對(duì)附屬設(shè)備會(huì)產(chǎn)生一定程度的腐蝕作用。

(2) 相變儲(chǔ)能材料的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題, 是制約其推廣應(yīng)用的障礙, 表現(xiàn)為各種相變儲(chǔ)能材料及相變儲(chǔ)能復(fù)合材料價(jià)格較高, 導(dǎo)致單位熱能的儲(chǔ)存費(fèi)用上升, 失去了與其他儲(chǔ)熱方法的比較優(yōu)勢(shì)。

(3) 相變儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)能性能問(wèn)題, 對(duì)于相變儲(chǔ)能復(fù)合材料,為使儲(chǔ)能體更加小巧和輕便, 要求相變儲(chǔ)能復(fù)合材料具有更高的儲(chǔ)能性能。的相變儲(chǔ)能復(fù) 合材料的儲(chǔ)能密度普遍小于120J/g, 并且其導(dǎo)熱性能普遍較差。有學(xué)者預(yù)測(cè), 通過(guò)增加相變物質(zhì)在復(fù)合材料中的含量和選擇相變焓更高的相變物質(zhì), 在未來(lái)數(shù)年內(nèi), 將有可能將相變儲(chǔ)能復(fù)合材料的儲(chǔ)能密度提高到150～200J/g。

熔融鹽/金屬基復(fù)合相變蓄熱材料的制備

融浸法和粉末燒結(jié)法兩種制備工藝，并對(duì)重要的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，通過(guò)XRD、SEM、DTA一TG和DSC等檢測(cè)手段對(duì)復(fù)合相變蓄熱材料性能進(jìn)行表征。熔融鹽/陶瓷基復(fù)合相變蓄熱材料的制備采用兩種制備工藝 ：

a、粉末壓力成型制備工藝;

b、多孔陶瓷基熔浸制備。

金屬/陶瓷基復(fù)合相變蓄熱材料的制備

將蓄熱材料鋁粉和基體材料(A1203粉末)按一定比例在瑪瑙研缽中研磨成粉末并混合均勻，然后用粉末壓片機(jī)壓成片狀，再放入加熱爐中燒結(jié)并保溫一定時(shí)間后取出，最后進(jìn)行各種分析。其工藝流程如圖1所示

在能源供給漸趨緊張的今天,相變材料以其獨(dú)特性越來(lái)越受到人們廣泛的重視,越來(lái)越多的領(lǐng)域開(kāi)始應(yīng)用相變材料。相變材料是利用相變潛熱來(lái)儲(chǔ)能和放能,因此在相變材料的研制中,選擇合適的材料是非常重要的。理想的相變材料應(yīng)具有以下性質(zhì) :

（1）熱力學(xué)性能：

1）具有適當(dāng)?shù)南嘧儨囟龋?）具有適當(dāng)?shù)南嘧儩摕幔?）密度大；4）比熱較大；5）導(dǎo)熱系數(shù)大；6）融化一致；7）相變過(guò)程中體積變化?。?）蒸汽壓低

（2）動(dòng)力學(xué)性能：1）凝固過(guò)程過(guò)冷度很小或基本沒(méi)有,融化后結(jié)晶應(yīng)在它的凝

固點(diǎn)溫度,這決定于高成核速率和晶體生成速率；2）要有很好的相平衡性質(zhì),不會(huì)產(chǎn)生相分離；3）要有較高的固化結(jié)晶速率。

（3）化學(xué)性能：1）化學(xué)穩(wěn)定性要好,無(wú)化學(xué)分解,以保證蓄熱介質(zhì)有較長(zhǎng)的壽命周期；2）化學(xué)穩(wěn)定性要好,無(wú)化學(xué)分解,以保證蓄熱介質(zhì)有較長(zhǎng)的壽命周期；3) 對(duì)容器材料無(wú)腐蝕作用；4）無(wú)毒、不燃、不爆炸、對(duì)環(huán)境無(wú)污染作用等。

（4）經(jīng)濟(jì)性能：1）來(lái)源方便,容易得到；2）價(jià)格便宜

根據(jù)相變種類(lèi)的不同

根據(jù)相變種類(lèi)的不同，相變蓄熱一般分為四類(lèi):固一固相變、固一液相變、液一氣相變及固一氣相變。由于后兩種相變方式在相變過(guò)程中伴隨有大量氣體的存在，使材料體積變化較大，因此盡管它們有很大的相變熱，但在實(shí)際應(yīng)用中很少被選用，固一固相變和固一液相變是實(shí)際中采用較多的相變類(lèi)型。根據(jù)材料性質(zhì)的不同，一般來(lái)說(shuō)相變蓄熱材料可分為:有機(jī)類(lèi)、無(wú)機(jī)類(lèi)及混合類(lèi)相變蓄熱材料。其中，石蠟類(lèi)、脂酸類(lèi)是有機(jī)類(lèi)中的典型相變蓄熱材料;結(jié)晶水合鹽、熔融鹽和金屬及合金等是無(wú)機(jī)類(lèi)中的典型相變蓄熱材料?；旌项?lèi)又可分為:有機(jī)混合類(lèi)、無(wú)機(jī)混合類(lèi)及無(wú)機(jī)一有機(jī)混合類(lèi) 。

根據(jù)蓄熱方式進(jìn)行分類(lèi)

1、顯熱蓄熱是通過(guò)蓄熱材料的溫度的上升或下降來(lái)儲(chǔ)存熱能。這種蓄熱方式原理簡(jiǎn)單、技術(shù)較成熟、材料來(lái)源豐富及成本低廉，因此廣泛地應(yīng)用于化工、冶金、熱動(dòng)等熱能儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域。常見(jiàn)的顯熱蓄熱介質(zhì)有水、水蒸汽、沙石等，這類(lèi)材料儲(chǔ)能密度低且不適宜工作在較高溫度下。

2、潛熱蓄熱是利用相變材料發(fā)生相變時(shí)吸收或放出熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存，具有單位質(zhì)量(體積)蓄熱量大、溫度波動(dòng)小(儲(chǔ)、放熱過(guò)程近似等溫)、化學(xué)穩(wěn)定性好和安全性好等特點(diǎn)。常見(jiàn)的相變過(guò)程主要有固-液、固-固相變兩種類(lèi)型。固-液相變是通過(guò)相變材料的熔化過(guò)程來(lái)進(jìn)行熱量?jī)?chǔ)存，凝固過(guò)程來(lái)放出熱量；而固-固相變則是通過(guò)相變材料的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變或固體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有序-無(wú)序的轉(zhuǎn)變而可逆地進(jìn)行儲(chǔ)、放熱。當(dāng)前正在考慮的潛熱蓄熱材料有：氟化物、硫酸鹽、硝酸鹽以及石蠟等有機(jī)蓄熱材料。

3、化學(xué)反應(yīng)蓄熱是利用可逆化學(xué)反應(yīng)通過(guò)熱能與化學(xué)熱的轉(zhuǎn)化來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)能的。它在受熱或冷卻時(shí)發(fā)生可逆反應(yīng)，分別對(duì)外吸熱或放熱，這樣就可以把熱能儲(chǔ)存起來(lái)。其主要優(yōu)點(diǎn)是蓄熱量大，不需要絕緣的儲(chǔ)能罐，而且如果反應(yīng)過(guò)程能用催化劑或反應(yīng)物控制，可長(zhǎng)期儲(chǔ)存熱量。

根據(jù)使用溫度范圍的不同

根據(jù)使用溫度范圍的不同，潛熱蓄熱材料（相變蓄熱）又可分為分為高、中、低溫三種．

1、低溫相變蓄熱材料

低溫相變蓄熱材料主要有無(wú)機(jī)和有機(jī)兩類(lèi)無(wú)機(jī)相變材料主要包括結(jié)晶水合鹽、熔融鹽、金屬或合金．結(jié)晶水合鹽通常是中、低溫相變蓄能材料中重要的一類(lèi)，具有價(jià)格便宜，體積蓄熱密度大，熔解熱大，熔點(diǎn)固定，熱導(dǎo)率比有機(jī)相變材料大，一般呈中性等優(yōu)點(diǎn)．但在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)過(guò)冷、相分離等不利因素，嚴(yán)重影響了水合鹽的廣泛應(yīng)用決過(guò)冷的辦法主要有兩種，一種是加入微粒結(jié)構(gòu)與鹽類(lèi)結(jié)晶物相類(lèi)似的物質(zhì)作為成核劑．另一種是保留一部分固態(tài)相變材料，即保持一部分冷區(qū)，使未融化的一部分晶體作為成核劑，這種方法文獻(xiàn)上稱(chēng)為冷指(Cold finger)法，雖然操作簡(jiǎn)單，但行之有效∞J．為了解決相分離的問(wèn)題，防止殘留固體物沉積于容器底部，人們也研究了一些方法，一種是將容器做成盤(pán)狀，將這種很淺的盤(pán)狀容器水平放臵有助于減少相分離；另一種更有效的方法是在混合物中添加合適的增稠劑，防止混合物中成分的分離，但并不妨礙相變過(guò)程。

有機(jī)相變材料主要包括石蠟，脂肪酸及其他種類(lèi)．石蠟主要由不同長(zhǎng)短的直鏈烷烴混合而成，可用通式C。H抖：表示，可以分為食用蠟、全精制石蠟、半精制石蠟、粗石蠟和皂用蠟等幾大類(lèi)，每一類(lèi)又根據(jù)熔點(diǎn)分成多個(gè)品種．短鏈烷烴的熔點(diǎn)較低，隨著碳鏈的增長(zhǎng)，熔點(diǎn)開(kāi)始增長(zhǎng)較快，而后逐漸減慢，再增長(zhǎng)時(shí)熔點(diǎn)將趨于一致。大部分的脂肪酸都可以從動(dòng)植物中提取，其原料具有可再生和環(huán)保的特點(diǎn)，是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)．其他還有有機(jī)類(lèi)的固一固相變材料，如高密度聚乙烯，多元醇等．這種材料發(fā)生相變時(shí)體積變化小，過(guò)冷度輕，無(wú)腐蝕，熱效率高，是很有發(fā)展前途的相變材料 。

復(fù)合相變材料材料的復(fù)合化可將各種材料的優(yōu)點(diǎn)集合在一起，制備復(fù)合相變材料是潛熱蓄熱材料的一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。復(fù)合相變材料的支撐，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研制的支撐材料主要有膨脹石墨、陶瓷、膨潤(rùn)土、微膠囊等．膨脹石墨是由石墨微晶構(gòu)成的疏松多孔的蠕蟲(chóng)狀物質(zhì)，它除了保留了鱗片石墨良好的導(dǎo)熱性外，還具有良好的吸附性．陶瓷材料有耐高溫、抗氧化、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被大量地選做工業(yè)蓄熱體．主要的陶瓷材質(zhì)有石英砂、碳化硅、剛玉、莫來(lái)石質(zhì)、锫英石質(zhì)和堇青石質(zhì)等．膨潤(rùn)土有獨(dú)特的納米層問(wèn)結(jié)構(gòu)，采用“插層法”將有機(jī)相變材料嵌入其層狀空間，制備有機(jī)/無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料，是開(kāi)發(fā)新型納米功能材料的有效途徑，微膠囊相變材料口陽(yáng)是用微膠囊技術(shù)制備出的復(fù)合相變材料。在微膠囊相變材料中發(fā)生相變的物質(zhì)被封閉在球形膠囊中，有效地解決了相變材料的泄漏、相分離及腐蝕等問(wèn)題，有利于改善相變材料的應(yīng)用性能，并可拓寬相變蓄熱技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

2、中溫相變蓄熱材料

太陽(yáng)能熱利用與建筑節(jié)能等領(lǐng)域?qū)ο嘧冃顭岵牧系男枨?，使低溫范圍蓄熱材料具有廣泛的應(yīng)用前景；高溫工業(yè)爐蓄熱室、工業(yè)加熱系統(tǒng)的余熱回收裝臵以及太空應(yīng)用，推動(dòng)了高溫相變蓄熱技術(shù)的迅速發(fā)展．因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)制冷、低溫和高溫相變蓄熱材料(PCM)做了相當(dāng)多的研究，但中溫PCM則較少使用．不過(guò)，近年來(lái)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展給中溫PCM的應(yīng)用創(chuàng)造了很大的空間。

3、高溫相變蓄熱材料

高溫相變材料的熱物性相變材料的熱物性主要包括：相變潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、膨脹系數(shù)、相變溫度等直接影響材料的蓄熱密度、吸放熱速率等重要性能，相變材料熱物性的測(cè)量對(duì)于相變材料的研究顯得尤為重要。

高溫相變材料通常具有一定的高溫腐蝕性，通常需要對(duì)其進(jìn)行封裝。微封裝的相變材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，促使人們對(duì)此進(jìn)行研究。Heine等人研究了4種金屬對(duì)熔點(diǎn)在235～857℃的6種熔融鹽的耐腐蝕性能。Lane對(duì)不同的材料在不同尺寸下封裝的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)材料的兼容性進(jìn)行了研究．由于用途廣泛，很多個(gè)人和公司。如BASF已加入了相變材料微封裝的研究行列。微封裝相變材料在不同熱控制領(lǐng)域的潛在應(yīng)用將受到其成本的限制，但對(duì)于太空應(yīng)用，熱控制性能遠(yuǎn)重于其成本。一些研究人員認(rèn)為，相變材料微封裝技術(shù)將是太空技術(shù)的一個(gè)里程碑。

蓄熱技術(shù)是提高能源利用效率和保護(hù)環(huán)境的重要技術(shù) ，可用于解決熱能供給與需求失配的矛盾，在太陽(yáng)能利用、電力“移峰填谷”、廢熱和余熱的回收利用以及工業(yè)與民用建筑和空調(diào)的節(jié)能等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，是世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)．，主要的蓄熱方法有顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學(xué)反應(yīng)蓄熱三種．顯熱蓄熱是利用物質(zhì)的溫度升高來(lái)存儲(chǔ)熱量的．利用陶瓷粒、水、油等的熱容進(jìn)行蓄熱，把已經(jīng)高溫或低溫變換的熱能貯存起來(lái)加以利用，如固體顯熱蓄熱的煉鐵熱風(fēng)爐、蓄熱式熱交換器、蓄熱式燃燒器等，通常的顯熱蓄熱方式簡(jiǎn)單，成本低，但儲(chǔ)存的熱量小，其放熱不能恒溫的缺點(diǎn)化學(xué)反應(yīng)蓄熱是指利用可逆化學(xué)反應(yīng)的結(jié)合熱儲(chǔ)存熱能．發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，可以有催化荊，也可以沒(méi)有催化劑一種高密度高能量的蓄熱方式，它的儲(chǔ)能密度一般高于顯熱和潛熱，此種儲(chǔ)能體系通過(guò)催化劑和產(chǎn)物分離易于能量長(zhǎng)期儲(chǔ)存．潛熱蓄熱（相變蓄熱）是利用物質(zhì)在凝固/熔化、凝結(jié)/氣化、凝華/升華以及其他形式的相變過(guò)程中，都要吸收或放出相變潛熱的原理來(lái)進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存的技術(shù)．利用相變材料相變時(shí)單位質(zhì)量（體積）潛熱，蓄熱量非常大能把熱能貯存起來(lái)加以利用，如空間太陽(yáng)能發(fā)電用蓄熱器，深夜電力調(diào)峰用蓄熱器，其儲(chǔ)能比顯熱一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且放熱溫度恒定，但其儲(chǔ)熱介質(zhì)一般有過(guò)冷、相分離、易老化等缺點(diǎn)。

人們對(duì)相變蓄熱技術(shù)的研究雖然只有幾十年的歷史，但它的應(yīng)用十分廣泛，已成為日益受到人們重視的一種新興技術(shù)。該技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用 。

工業(yè)過(guò)程的余熱利用

工業(yè)過(guò)程的余熱既存在連續(xù)型余熱又存在間斷型余熱。對(duì)于連續(xù)型余熱，通常采取預(yù)熱原料或空氣等手段加以回收，而間斷型余熱因其產(chǎn)生過(guò)程的不連續(xù)性未被很好的利用，如有色金屬工業(yè)、硅酸鹽工業(yè)中的部分爐窯在生產(chǎn)過(guò)程中具有一定的周期性，造成余熱回收困難，因此，這類(lèi)爐窯的熱效率通常低于30%。相變蓄熱突出的優(yōu)點(diǎn)之一就是可以將生產(chǎn)過(guò)程中多余的熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)并在需要時(shí)提供穩(wěn)定的熱源，它特別適合于間斷性的工業(yè)加熱過(guò)程或具有多臺(tái)不同時(shí)工作的加熱設(shè)備的場(chǎng)合，采用熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)利用相變蓄熱技術(shù)可節(jié)能15%~45%。根據(jù)加熱系統(tǒng)工作溫度和儲(chǔ)熱介質(zhì)的不同，應(yīng)用于工業(yè)加熱的相變蓄熱系統(tǒng)可分為蓄熱換熱器、蓄熱室式蓄熱系統(tǒng)和顯熱/潛熱復(fù)合蓄熱系統(tǒng)三種形式。蓄熱換熱器適用于間斷性工業(yè)加熱過(guò)程，是一種蓄熱裝臵和換熱裝臵合二為一的相變蓄熱換熱裝臵。它采取管殼式或板式換熱器的結(jié)構(gòu)形式，換熱器的一側(cè)填充相變材料，另一側(cè)則作為換熱流體的通道。當(dāng)間歇式加熱設(shè)備運(yùn)行時(shí)，煙氣流經(jīng)換熱器式蓄熱系統(tǒng)的流體通道，將熱量傳遞到另一側(cè)的相變介質(zhì)使其發(fā)生固液相變，加熱設(shè)備的余熱以潛熱的形式儲(chǔ)存在相變介質(zhì)中。當(dāng)間歇式加熱設(shè)備從新工作時(shí)，助燃空氣流經(jīng)蓄熱系統(tǒng)的換熱通道，與另一側(cè)的相變材料進(jìn)行換熱，儲(chǔ)存在相變材料中的熱量傳遞到被加熱流體，達(dá)到預(yù)熱的目的。相變蓄熱換熱裝臵一個(gè)特點(diǎn)是可以制造成獨(dú)立的設(shè)備，作為工業(yè)加熱設(shè)備的余熱利用設(shè)備使用時(shí)，并不需要改造加熱設(shè)備本身，只要在設(shè)備的管路上進(jìn)行改造就可以方便地使用。蓄熱室式蓄熱系統(tǒng)在工業(yè)加熱設(shè)備的余熱利用系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的蓄熱器通常采用耐火材料作為吸收余熱的蓄熱材料，由于熱量的吸收僅僅是依靠耐火材料的顯熱熱容變化，這種蓄熱室具有體積大、造價(jià)貴、熱慣性大和輸出功率逐步下降的缺點(diǎn)，在工業(yè)加熱領(lǐng)域難以普及應(yīng)用。相變蓄熱系統(tǒng)是一種可以替代傳統(tǒng)蓄熱器的新型余熱利用系統(tǒng)，它主要利用物質(zhì)在固液兩態(tài)變化過(guò)程中的潛熱吸收和釋放來(lái)實(shí)現(xiàn)熱能的儲(chǔ)存和輸出。相變蓄熱系統(tǒng)具有蓄熱量大、體積小、熱慣性小和輸出穩(wěn)定的特點(diǎn)。與常規(guī)的蓄熱室相比，相變蓄熱系統(tǒng)體積可以減小30%~50%。

太陽(yáng)能熱儲(chǔ)存

太陽(yáng)能是巨大的能源寶庫(kù)，具有清潔無(wú)污染，取用方便的特點(diǎn)，特別是在一些高原地區(qū)如我國(guó)的云南、青海和西藏等地，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，而其他能源短缺，故太陽(yáng)能的利用將更加普遍。但到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射，能量密度卻很低，而且受到地理、晝夜和季節(jié)等因素的影響，以及陰晴云雨等隨機(jī)因素的制約，其輻射強(qiáng)度也不斷發(fā)生變化，具有顯著的稀薄性、間斷性和不穩(wěn)定性。為了保持供熱或供電裝臵的穩(wěn)定不間斷的運(yùn)行，就需要蓄熱裝臵把太陽(yáng)能儲(chǔ)存起來(lái)，在太陽(yáng)能不足時(shí)再釋放出來(lái)，從而滿(mǎn)足生產(chǎn)和生活用能連續(xù)和穩(wěn)定供應(yīng)的需要。幾乎所有用于采暖、供應(yīng)熱水、生產(chǎn)過(guò)程用熱等的太陽(yáng)能裝臵都需要儲(chǔ)存熱能。即使在外層空間，在地球軌道上運(yùn)行的航天器由于受到地球陰影的遮擋，對(duì)太陽(yáng)能的接受也存在不連續(xù)的特點(diǎn)，因此空間發(fā)電系統(tǒng)也需要蓄熱系統(tǒng)來(lái)維持連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。太陽(yáng)能蓄熱技術(shù)包括低溫和高溫兩種。水是低溫太陽(yáng)能蓄熱系統(tǒng)普遍使用的蓄熱介質(zhì)，石蠟以及無(wú)機(jī)水合鹽也比較常用;高溫太陽(yáng)能蓄熱系統(tǒng)大多使用高溫熔融鹽類(lèi)、混合鹽類(lèi)、金屬或合金作為蓄熱介質(zhì)。另外，能源儲(chǔ)存技術(shù)也可以用在建筑物采暖方面。在夏天日照強(qiáng)烈時(shí)，利用太陽(yáng)能加熱器加熱水并儲(chǔ)存于地下蓄水層或隔熱良好的地穴中，到冬天來(lái)臨時(shí)，利用儲(chǔ)存的熱水就可取暖。1982年，美國(guó)已成功研制出一種利用NaZSO4·IOH20共熔物作為蓄熱芯的太陽(yáng)能建筑板，并在麻省理工學(xué)院建筑系實(shí)驗(yàn)樓進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用。

太空中的應(yīng)用

早在20世紀(jì)50年代，由于航天事業(yè)的發(fā)展，人造衛(wèi)星等航天器的研制中常常涉及到儀器、儀表或材料的恒溫控制問(wèn)題。因?yàn)槿嗽煨l(wèi)星在運(yùn)行中，時(shí)而處于太陽(yáng)照射之下，時(shí)而由于地球的遮蔽處于黑暗之中，在這兩種情況下，人造衛(wèi)星表面的溫度相差幾百度。為了保證衛(wèi)星內(nèi)溫度恒定在特定溫度下(通常為巧~35℃之間)，人們研制了很多控制溫度的裝臵，其中一種就是利用相變蓄熱材料在特定溫度下的吸熱與放熱來(lái)控制溫度的變化，使衛(wèi)星正常工作。當(dāng)外界溫度升高，高于特定溫度(如30’C)時(shí)，相變蓄熱材料開(kāi)始熔融，大量吸收熱量;而當(dāng)外部溫度降低，低于特定溫度時(shí)，相變材料又開(kāi)始結(jié)晶，大量放出熱量，從而維持內(nèi)部溫度恒定在30℃左右。蓄熱技術(shù)在太空中的另一個(gè)應(yīng)用便是空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電技術(shù)，空間熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)主要分為四大部分:聚能器、吸熱/蓄熱器、能量轉(zhuǎn)化部分及輻射器。能量轉(zhuǎn)化部分又主要包括渦輪、發(fā)電機(jī)和壓氣機(jī)。它的主要工作原理是:利用拋物線(xiàn)型的聚能器截取太陽(yáng)能，并將其聚集到吸熱/蓄熱器的圓柱形空腔內(nèi)，被吸收轉(zhuǎn)換成熱能其中一緲熱能傳遞給循環(huán)工質(zhì)以驅(qū)動(dòng)熱機(jī)發(fā)電，另一部分熱量則被封裝在多個(gè)小容器的相變材料內(nèi)加以?xún)?chǔ)存。在軌道陰影期，相變材料在相變點(diǎn)附近凝固釋熱，從當(dāng)熱機(jī)熱源來(lái)加熱循環(huán)工質(zhì)，使得空間站處于陰影期時(shí)仍能連續(xù)工作發(fā)電。

吸熱/蓄熱器的性能參數(shù)是空間熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)之一。美國(guó)從20世紀(jì)60年代就開(kāi)始了吸熱/蓄熱器的研究，Garrett公司先后設(shè)計(jì)了3姍、 10.5KW的空間熱動(dòng)力裝臵，試制了各主要部件，并對(duì)它們進(jìn)行了大量的性能試驗(yàn)。在 1994年和1996年，分別在哥倫比亞號(hào)和奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)上進(jìn)行了兩次蓄熱容器的搭載試驗(yàn)，以驗(yàn)證空間環(huán)境下相變蓄熱材料的蓄放熱性能以及與容器材料的相容性能，采用的相變材料分別為L(zhǎng)IF和80.SLIF一19.SCaFZ。作為一種先進(jìn)的空間太陽(yáng)能供電方式，空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力電站對(duì)未來(lái)的空間探索有著重要意義。隨著人類(lèi)對(duì)太空探索不斷深入，如探索月球、火星，甚至到未來(lái)的探索太陽(yáng)系以外的宇宙，特別是建立永久空間站，電力需求將是一個(gè)十分緊迫的任務(wù)。另外，這種先進(jìn)的空間太陽(yáng)能供電方式也將為解決地面的能源危機(jī)提供很好的解決方案。美國(guó)已經(jīng)提出在21世紀(jì)中葉左右研發(fā)一個(gè) 1.6GW的空間電站，再利用微波系統(tǒng)將電力傳回地面利用。如果這一系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的話(huà)，將是人類(lèi)能源技術(shù)的一個(gè)歷史性的進(jìn)步。當(dāng)然要達(dá)到這一目標(biāo)，還有大量的技術(shù)難題有待人類(lèi)攻克。

其他方面的應(yīng)用

隨著研究的不斷深入，相變蓄熱材料的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷地?cái)U(kuò)展。如PCMs(phase changematerials即相變材料)在建筑物采暖、保溫以及被動(dòng)式太陽(yáng)房等領(lǐng)域的應(yīng)用，是近年來(lái)PeMS研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一2100433B

1 緒論

1.1 熱能儲(chǔ)存的方式

1.2 相變蓄熱材料的研究進(jìn)展

1.3 相變蓄熱的數(shù)值模擬與熱力學(xué)優(yōu)化

1.4 相變蓄熱技術(shù)的應(yīng)用

1.5 蓄熱燃燒技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2 相變蓄熱材料的分類(lèi)與選擇

2.1 相變蓄熱材料的分類(lèi)

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(guò)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(yīng)用及問(wèn)題

4 復(fù)合相變蓄熱材料制備中的熱力學(xué)分析

4.1 熱力學(xué)分析在復(fù)合相變蓄熱材料制備中的重要性

4.2 熱力學(xué)計(jì)算的一般方法

4.3 熱力學(xué)計(jì)算在復(fù)合相變蓄熱材料制備中的應(yīng)用

5 復(fù)合相變蓄熱材料的性能評(píng)價(jià)與檢測(cè)

5.1 復(fù)合相變蓄熱材料的性能評(píng)價(jià)

5.2 復(fù)合相變蓄熱材料的力學(xué)性能與測(cè)定

5.3 復(fù)合相變蓄熱材料的熱學(xué)性能與測(cè)定

6 復(fù)合相變蓄熱材料的制備與性能

6.1 中低溫復(fù)合相變蓄熱材料的制備與性能

6.2 熔融鹽/金屬基復(fù)合相變蓄熱材料的制備與性能

6.3 熔融鹽/陶瓷基復(fù)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(shù)值模擬

7.1 相變傳熱的數(shù)學(xué)模型

7.2 一維相變傳熱問(wèn)題

7.3 多維相變傳熱問(wèn)題

7.4 復(fù)合相變蓄熱材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值模擬

7.5 蜂窩體蓄熱體傳熱的數(shù)值模擬

8 蓄熱體的制備及蓄熱室的性能測(cè)試

8.1 蓄熱體的類(lèi)型及其制備

8.2 蓄熱室熱工性能的實(shí)驗(yàn)研究

8.3 蓄熱室性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案

8.4 復(fù)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(shù)值模擬

9 高溫空氣蓄熱燃燒的冷態(tài)?；囼?yàn)研究

9.1 高溫空氣蓄熱燃燒裝置的冷態(tài)模型的設(shè)計(jì)

9.2 冷態(tài)?；囼?yàn)臺(tái)與測(cè)試工況

9.3 冷態(tài)模化試驗(yàn)結(jié)果與分析

10 高溫空氣蓄熱燃燒冷態(tài)數(shù)值模擬

10.1 冷態(tài)試驗(yàn)數(shù)值模擬

10.2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析

11 高溫空氣蓄熱燃燒熱態(tài)數(shù)值模擬

11.1 高溫空氣蓄熱燃燒熱態(tài)數(shù)值模擬的控制方程及條件

11.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

11.3 高溫空氣蓄熱燃燒數(shù)值模型改進(jìn)建議

12 高溫空氣蓄熱燃燒系統(tǒng)與熱態(tài)試驗(yàn)

12.1 高溫空氣蓄熱燃燒系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備

12.2 高溫空氣蓄熱燃燒系統(tǒng)熱態(tài)試驗(yàn)

12.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

參考文獻(xiàn)2100433B

本書(shū)系統(tǒng)介紹了相變蓄熱的基礎(chǔ)理論和國(guó)內(nèi)外近年來(lái)的主要研究成果以及高溫空氣蓄熱燃燒技術(shù)，內(nèi)容包括：相變蓄熱的概述、相變蓄熱材料的分類(lèi)與選擇、相律和相圖、復(fù)合相變蓄熱材料制備中的熱力學(xué)分析、復(fù)合相變蓄熱材料的性能評(píng)價(jià)與檢測(cè)、復(fù)合相變蓄熱材料的制備與性能、相變蓄熱的傳熱模型與數(shù)值模擬、蓄熱體的制備及蓄熱室的性能測(cè)試、高溫空氣蓄熱燃燒的冷態(tài)、熱態(tài)數(shù)值模擬和高溫空氣蓄熱燃燒的冷態(tài)、熱態(tài)實(shí)驗(yàn)研究等內(nèi)容。

蓄熱材料相變蓄熱材料

相變蓄熱材料具有蓄放熱過(guò)程近似等溫、過(guò)程容易控制等優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)今蓄熱材料的研究熱點(diǎn)。1992年，法國(guó)首次研制出用于儲(chǔ)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(guó)對(duì)銨礬和硝酸銨二元相變材料體系進(jìn)行了研究，并將其應(yīng)用于太陽(yáng)能熱水器。我國(guó)在19世紀(jì)80年代初開(kāi)始開(kāi)展相變蓄熱材料的研究，早期集中于相變蓄熱材料中的無(wú)機(jī)水合鹽類(lèi)。由于絕大多數(shù)無(wú)機(jī)水合鹽都具有腐蝕性,相變過(guò)程存在過(guò)冷和相分離等缺點(diǎn)，而有機(jī)物相變材料則熱導(dǎo)率低，相變過(guò)程的傳熱性能差。為了克服單一無(wú)機(jī)物或有機(jī)物相變蓄熱材料存在的缺點(diǎn)，許多研究者開(kāi)始開(kāi)發(fā)復(fù)合相變蓄熱材料，如Udidn等以石蠟為相變材料、阿拉伯樹(shù)脂和明膠為膠囊體材料制備出膠囊型復(fù)合無(wú)機(jī)相變材料，實(shí)驗(yàn)表明，膠囊化石蠟經(jīng)過(guò)1000次熱循環(huán)，仍能維持其結(jié)構(gòu)形狀和儲(chǔ)熱密度不變,膠囊化技術(shù)有效地解決了無(wú)機(jī)相變材料的泄漏、相分離以及腐蝕性問(wèn)題。

Xavier制備出有機(jī)復(fù)合相變材料，將有機(jī)物相變蓄熱材料石蠟吸附在具有多孔結(jié)構(gòu)的膨脹石墨內(nèi)，明顯提高了蓄熱材料的熱導(dǎo)率，如純石蠟的熱導(dǎo)率僅為0.24W/m，而復(fù)合石墨后的熱導(dǎo)率提高到4一7W/m。

近年來(lái)，有機(jī)/無(wú)機(jī)納米復(fù)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(yīng)用。張正國(guó)等將有機(jī)/無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料擴(kuò)展到蓄熱材料領(lǐng)域,提出將有機(jī)相變材料與無(wú)機(jī)物進(jìn)行納米復(fù)合的方案，制備出硬脂酸/膨潤(rùn)土納米復(fù)合相變蓄熱材料，復(fù)合材料的相變潛熱值基本不變而儲(chǔ)放熱速率明顯提高，且經(jīng)1500次循環(huán)試驗(yàn)后復(fù)合相變材料仍具有很好的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性。有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合相變蓄熱材料的制備，不僅可利用無(wú)機(jī)物的高熱導(dǎo)率來(lái)提高有機(jī)物相變蓄熱材料的導(dǎo)熱性能，而且納米復(fù)合技術(shù)將有機(jī)相變儲(chǔ)熱材料和無(wú)機(jī)載體充分結(jié)合起來(lái)，提高復(fù)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(duì)水發(fā)生物理吸附的過(guò)程中，伴隨著大量的物理吸附熱，可以用于熱量的儲(chǔ)存和利用。Close等首先利用開(kāi)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(shí)現(xiàn)了低溫?zé)醿?chǔ)存。吸附蓄熱材料克服了傳統(tǒng)蓄熱方法的缺陷，在蓄熱過(guò)程中無(wú)熱量損失，為蓄熱技術(shù)開(kāi)辟了新天地。

由于分子篩作為吸附蓄熱材料時(shí)對(duì)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(jié)構(gòu)，把對(duì)水吸附容量比較高的氯化鈣填充進(jìn)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(fù)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(jìn)人分子篩制備出吸附蓄熱復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)復(fù)一合吸附劑的最大吸附量可達(dá)0. 55 kg/kg，，用于蓄熱時(shí)其蓄熱密度達(dá)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(shì)。

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

在進(jìn)一步提高復(fù)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(fù)合多孔材料，1kg該吸附劑的水蒸氣吸附量超過(guò)1kg，而且經(jīng)過(guò)50次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，該復(fù)合吸附材料的吸附性能無(wú)明顯改變。 這種由分子篩等多孔材料和吸濕性無(wú)機(jī)鹽復(fù)合而制得的吸附蓄熱材料，一方面使無(wú)機(jī)鹽的化學(xué)吸附蓄熱循環(huán)過(guò)程發(fā)生在多孔材料的孔道內(nèi)，改善了吸附蓄熱過(guò)程的傳熱和傳質(zhì)性能;另一方面，多孔材料對(duì)吸附質(zhì)也具有吸附作用，不僅提高了復(fù)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(xué)吸附的前驅(qū)態(tài)還促進(jìn)了無(wú)機(jī)鹽的化學(xué)吸附。