相變蓄熱

在能源供給漸趨緊張的今天,相變材料以其獨特性越來越受到人們廣泛的重視,越來越多的領(lǐng)域開始應(yīng)用相變材料。相變材料是利用相變潛熱來儲能和放能,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）相變過程中體積變化??；8）蒸汽壓低

（2）動力學(xué)性能：1）凝固過程過冷度很小或基本沒有,融化后結(jié)晶應(yīng)在它的凝

固點溫度,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,無化學(xué)分解,以保證蓄熱介質(zhì)有較長的壽命周期；2）化學(xué)穩(wěn)定性要好,無化學(xué)分解,以保證蓄熱介質(zhì)有較長的壽命周期；3) 對容器材料無腐蝕作用；4）無毒、不燃、不爆炸、對環(huán)境無污染作用等。

（4）經(jīng)濟(jì)性能：1）來源方便,容易得到；2）價格便宜

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，并對重要的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。同時，通過XRD、SEM、DTA一TG和DSC等檢測手段對復(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，然后用粉末壓片機壓成片狀，再放入加熱爐中燒結(jié)并保溫一定時間后取出，最后進(jìn)行各種分析。其工藝流程如圖1所示

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．，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)的溫度升高來存儲熱量的．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單，成本低，但儲存的熱量小，其放熱不能恒溫的缺點化學(xué)反應(yīng)蓄熱是指利用可逆化學(xué)反應(yīng)的結(jié)合熱儲存熱能．發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，可以有催化荊，也可以沒有催化劑一種高密度高能量的蓄熱方式，它的儲能密度一般高于顯熱和潛熱，此種儲能體系通過催化劑和產(chǎn)物分離易于能量長期儲存．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程中，都要吸收或放出相變潛熱的原理來進(jìn)行能量儲存的技術(shù)．利用相變材料相變時單位質(zhì)量（體積）潛熱，蓄熱量非常大能把熱能貯存起來加以利用，如空間太陽能發(fā)電用蓄熱器，深夜電力調(diào)峰用蓄熱器，其儲能比顯熱一個數(shù)量級，而且放熱溫度恒定，但其儲熱介質(zhì)一般有過冷、相分離、易老化等缺點。

根據(jù)相變種類的不同

根據(jù)相變種類的不同，相變蓄熱一般分為四類: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，但在實際應(yīng)用中很少被選用，固一固相變和固一液相變是實際中采用較多的相變類型。根據(jù)材料性質(zhì)的不同，一般來說相變蓄熱材料可分為:有機類、無機類及混合類相變蓄熱材料。其中，石蠟類、脂酸類是有機類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機類中的典型相變蓄熱材料?；旌项愑挚煞譃?有機混合類、無機混合類及無機一有機混合類 。

根據(jù)蓄熱方式進(jìn)行分類

1、顯熱蓄熱是通過蓄熱材料的溫度的上升或下降來儲存熱能。這種蓄熱方式原理簡單、技術(shù)較成熟、材料來源豐富及成本低廉，因此廣泛地應(yīng)用于化工、冶金、熱動等熱能儲存與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域。常見的顯熱蓄熱介質(zhì)有水、水蒸汽、沙石等，這類材料儲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)生相變時吸收或放出熱量來實現(xiàn)能量的儲存，具有單位質(zhì)量(體積)蓄熱量大、溫度波動小(儲、放熱過程近似等溫)、化學(xué)穩(wěn)定性好和安全性好等特點。常見的相變過程主要有固-液、固-固相變兩種類型。固-液相變是通過相變材料的熔化過程來進(jìn)行熱量儲存，凝固過程來放出熱量；而固-固相變則是通過相變材料的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變或固體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有序-無序的轉(zhuǎn)變而可逆地進(jìn)行儲、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)通過熱能與化學(xué)熱的轉(zhuǎn)化來進(jìn)行儲能的。它在受熱或冷卻時發(fā)生可逆反應(yīng)，分別對外吸熱或放熱，這樣就可以把熱能儲存起來。其主要優(yōu)點是蓄熱量大，不需要絕緣的儲能罐，而且如果反應(yīng)過程能用催化劑或反應(yīng)物控制，可長期儲存熱量。

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機和有機兩類無機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，具有價格便宜，體積蓄熱密度大，熔解熱大，熔點固定，熱導(dǎo)率比有機相變材料大，一般呈中性等優(yōu)點．但在使用過程中會出現(xiàn)過冷、相分離等不利因素，嚴(yán)重影響了水合鹽的廣泛應(yīng)用決過冷的辦法主要有兩種，一種是加入微粒結(jié)構(gòu)與鹽類結(jié)晶物相類似的物質(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)上稱為冷指(Cold finger)法，雖然操作簡單，但行之有效∞J．為了解決相分離的問題，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狀，將這種很淺的盤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，但并不妨礙相變過程。

有機相變材料主要包括石蠟，脂肪酸及其他種類．石蠟主要由不同長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，每一類又根據(jù)熔點分成多個品種．短鏈烷烴的熔點較低，隨著碳鏈的增長，熔點開始增長較快，而后逐漸減慢，再增長時熔點將趨于一致。大部分的脂肪酸都可以從動植物中提取，其原料具有可再生和環(huán)保的特點，是近年來研究的熱點．其他還有有機類的固一固相變材料，如高密度聚乙烯，多元醇等．這種材料發(fā)生相變時體積變化小，過冷度輕，無腐蝕，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。復(fù)合相變材料的支撐，國內(nèi)外學(xué)者研制的支撐材料主要有膨脹石墨、陶瓷、膨潤土、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，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、莫來石質(zhì)、锫英石質(zhì)和堇青石質(zhì)等．膨潤土有獨特的納米層問結(jié)構(gòu)，采用“插層法”將有機相變材料嵌入其層狀空間，制備有機/無機納米復(fù)合材料，是開發(fā)新型納米功能材料的有效途徑，微膠囊相變材料口陽是用微膠囊技術(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，推動了高溫相變蓄熱技術(shù)的迅速發(fā)展．因此，國內(nèi)外對制冷、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，近年來相關(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量對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，通常需要對其進(jìn)行封裝。微封裝的相變材料具有許多優(yōu)點，促使人們對此進(jìn)行研究。Heine等人研究了4種金屬對熔點在235～857℃的6種熔融鹽的耐腐蝕性能。Lane對不同的材料在不同尺寸下封裝的優(yōu)點和缺點進(jìn)行分析，并對材料的兼容性進(jìn)行了研究．由于用途廣泛，很多個人和公司。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)的一個里程碑。

現(xiàn)階段相變儲能材料的研究困難主要表現(xiàn)以下三方面:

(1) 相變儲能材料的耐久性, 這個問題主要分為三類。首先, 相變材料在循環(huán)相變過程中熱物理性質(zhì)的退化。其次, 相變儲能材料在長期循環(huán)使用過程中會出現(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, 相變材料對基體材料的作用, 相變材料相變過程中產(chǎn)生的應(yīng)力使得基體材料容易破壞，同時它也會對附屬設(shè)備會產(chǎn)生一定程度的腐蝕作用。

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

(3) 相變儲能材料的儲能性能問題, 對于相變儲能復(fù)合材料,為使儲能體更加小巧和輕便, 要求相變儲能復(fù)合材料具有更高的儲能性能。的相變儲能復(fù) 合材料的儲能密度普遍小于120J/g, 并且其導(dǎo)熱性能普遍較差。有學(xué)者預(yù)測, 通過增加相變物質(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), 在未來數(shù)年內(nèi), 將有可能將相變儲能復(fù)合材料的儲能密度提高到150～200J/g。

人們對相變蓄熱技術(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)主要有以下幾個方面的應(yīng)用 。

工業(yè)過程的余熱利用

工業(yè)過程的余熱既存在連續(xù)型余熱又存在間斷型余熱。對于連續(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)過程中具有一定的周期性，造成余熱回收困難，因此，這類爐窯的熱效率通常低于30%。相變蓄熱突出的優(yōu)點之一就是可以將生產(chǎn)過程中多余的熱量儲存起來并在需要時提供穩(wěn)定的熱源，它特別適合于間斷性的工業(yè)加熱過程或具有多臺不同時工作的加熱設(shè)備的場合，采用熱能儲存系統(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)備運行時，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存在相變介質(zhì)中。當(dāng)間歇式加熱設(shè)備從新工作時，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特點是可以制造成獨立的設(shè)備，作為工業(yè)加熱設(shè)備的余熱利用設(shè)備使用時，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、造價貴、熱慣性大和輸出功率逐步下降的缺點，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)變化過程中的潛熱吸收和釋放來實現(xiàn)熱能的儲存和輸出。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。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%。

太陽能熱儲存

太陽能是巨大的能源寶庫，具有清潔無污染，取用方便的特點，特別是在一些高原地區(qū)如我國的云南、青海和西藏等地，太陽輻射強度大，而其他能源短缺，故太陽能的利用將更加普遍。但到達(dá)地球表面的太陽輻射，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因素的制約，其輻射強度也不斷發(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)定不間斷的運行，就需要蓄熱裝臵把太陽能儲存起來，在太陽能不足時再釋放出來，從而滿足生產(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)過程用熱等的太陽能裝臵都需要儲存熱能。即使在外層空間，在地球軌道上運行的航天器由于受到地球陰影的遮擋，對太陽能的接受也存在不連續(xù)的特點，因此空間發(fā)電系統(tǒng)也需要蓄熱系統(tǒng)來維持連續(xù)穩(wěn)定的運行。太陽能蓄熱技術(shù)包括低溫和高溫兩種。水是低溫太陽能蓄熱系統(tǒng)普遍使用的蓄熱介質(zhì)，石蠟以及無機水合鹽也比較常用;高溫太陽能蓄熱系統(tǒng)大多使用高溫熔融鹽類、混合鹽類、金屬或合金作為蓄熱介質(zhì)。另外，能源儲存技術(shù)也可以用在建筑物采暖方面。在夏天日照強烈時，利用太陽能加熱器加熱水并儲存于地下蓄水層或隔熱良好的地穴中，到冬天來臨時，利用儲存的熱水就可取暖。1982年，美國已成功研制出一種利用NaZSO4·IOH20共熔物作為蓄熱芯的太陽能建筑板，并在麻省理工學(xué)院建筑系實驗樓進(jìn)行了實驗性應(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題。因為人造衛(wèi)星在運行中，時而處于太陽照射之下，時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，相變蓄熱材料開始熔融，大量吸收熱量;而當(dāng)外部溫度降低，低于特定溫度時，相變材料又開始結(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)在太空中的另一個應(yīng)用便是空間太陽能熱動力發(fā)電技術(shù)，空間熱動力發(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)電機和壓氣機。它的主要工作原理是:利用拋物線型的聚能器截取太陽能，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)動熱機發(fā)電，另一部分熱量則被封裝在多個小容器的相變材料內(nèi)加以儲存。在軌道陰影期，相變材料在相變點附近凝固釋熱，從當(dāng)熱機熱源來加熱循環(huán)工質(zhì)，使得空間站處于陰影期時仍能連續(xù)工作發(fā)電。

吸熱/蓄熱器的性能參數(shù)是空間熱動力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)之一。美國從20世紀(jì)60年代就開始了吸熱/蓄熱器的研究，Garrett公司先后設(shè)計了3姍、 10.5KW的空間熱動力裝臵，試制了各主要部件，并對它們進(jìn)行了大量的性能試驗。在 1994年和1996年，分別在哥倫比亞號和奮進(jìn)號航天飛機上進(jìn)行了兩次蓄熱容器的搭載試驗，以驗證空間環(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LIF和80.SLIF一19.SCaFZ。作為一種先進(jìn)的空間太陽能供電方式，空間太陽能熱動力電站對未來的空間探索有著重要意義。隨著人類對太空探索不斷深入，如探索月球、火星，甚至到未來的探索太陽系以外的宇宙，特別是建立永久空間站，電力需求將是一個十分緊迫的任務(wù)。另外，這種先進(jìn)的空間太陽能供電方式也將為解決地面的能源危機提供很好的解決方案。美國已經(jīng)提出在21世紀(jì)中葉左右研發(fā)一個 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)實現(xiàn)的話，將是人類能源技術(shù)的一個歷史性的進(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)域也不斷地擴(kuò)展。如PCMs(phase changematerials即相變材料)在建筑物采暖、保溫以及被動式太陽房等領(lǐng)域的應(yīng)用，是近年來PeMS研究領(lǐng)域的熱點之一2100433B

1 緒論

1.1 熱能儲存的方式

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(yīng)用及問題

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)計算的一般方法

4.3 熱力學(xué)計算在復(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價與檢測

5.1 復(fù)合相變蓄熱材料的性能評價

5.2 復(fù)合相變蓄熱材料的力學(xué)性能與測定

5.3 復(fù)合相變蓄熱材料的熱學(xué)性能與測定

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 一維相變傳熱問題

7.3 多維相變傳熱問題

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(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)?；囼炑芯?

9.1 高溫空氣蓄熱燃燒裝置的冷態(tài)模型的設(shè)計

9.2 冷態(tài)模化試驗臺與測試工況

9.3 冷態(tài)?；囼灲Y(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)試驗數(shù)值模擬

10.2 計算結(jié)果與實驗結(jié)果的對比分析

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

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

12.3 試驗結(jié)果與分析

參考文獻(xiàn)2100433B

本書系統(tǒng)介紹了相變蓄熱的基礎(chǔ)理論和國內(nèi)外近年來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價與檢測、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)實驗研究等內(nèi)容。

蓄熱材料相變蓄熱材料

相變蓄熱材料具有蓄放熱過程近似等溫、過程容易控制等優(yōu)點是當(dāng)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(jìn)行了研究，并將其應(yīng)用于太陽能熱水器。我國在19世紀(jì)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(shù)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(dǎo)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(fù)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(fù)合無機相變材料，實驗表明，膠囊化石蠟經(jīng)過1000次熱循環(huán)，仍能維持其結(jié)構(gòu)形狀和儲熱密度不變,膠囊化技術(shù)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(fù)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(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，有機/無機納米復(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。張正國等將有機/無機納米復(fù)合材料擴(kuò)展到蓄熱材料領(lǐng)域,提出將有機相變材料與無機物進(jìn)行納米復(fù)合的方案，制備出硬脂酸/膨潤土納米復(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放熱速率明顯提高，且經(jīng)1500次循環(huán)試驗后復(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/無機復(fù)合相變蓄熱材料的制備，不僅可利用無機物的高熱導(dǎo)率來提高有機物相變蓄熱材料的導(dǎo)熱性能，而且納米復(fù)合技術(shù)將有機相變儲熱材料和無機載體充分結(jié)合起來，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?zé)醿Υ?。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(shù)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(jié)構(gòu)，把對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，實驗發(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。

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1kg，而且經(jīng)過50次循環(huán)實驗，該復(fù)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(fù)合而制得的吸附蓄熱材料，一方面使無機鹽的化學(xué)吸附蓄熱循環(huán)過程發(fā)生在多孔材料的孔道內(nèi)，改善了吸附蓄熱過程的傳熱和傳質(zhì)性能;另一方面，多孔材料對吸附質(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)了無機鹽的化學(xué)吸附。