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1、1文獻綜述1.1相變蓄熱材料1.1.1相變蓄熱材料的研究背景隨著全球能源形勢的日益緊張，節(jié)能與環(huán)保受到世界各國越來越多的重視。但是由于能源的供給與需求具有較強的時間性和空間性，在許多能源利用系統(tǒng)中(如太陽能系統(tǒng)、建筑物空調(diào)和采暖系統(tǒng)、冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、余熱廢熱利用系統(tǒng)等)存在著供能和耗能之間的不協(xié)調(diào)性(失配)，從而造成了能量利用的不合理性和大量浪費。例如：在不需要熱時，卻有大量熱的產(chǎn)生，有時候供應的熱卻有很大一部分作為余熱被損失掉，這些都需要一種類似于儲水池儲水一樣的物質(zhì)把熱量儲存起來，需要時再釋放出來，這樣的物
2、質(zhì)稱為熱能儲存材料(蓄熱材料)。人們對蓄熱材料，特別是相變蓄熱材料的認識和研究是近幾十年的事情。二十世紀二十年代以來，特別是七十年代能源危機的影響，相變蓄熱的基礎和應用技術研究在發(fā)達國家迅速崛起，并得到不斷的發(fā)展，日益成為受人重視的新材料。在太陽能利用、電力的“削峰填谷”、廢熱和余熱的回收利用以及工業(yè)與民用建筑采暖與空調(diào)的節(jié)能領域具有廣泛的應用前景，近年來已成為世界范圍的研究熱點。相變儲能材料作為儲能技術的基礎，在國內(nèi)外得到了極大的發(fā)展。1.1.2相變蓄熱材料的分類根據(jù)蓄熱材料的化學組成分類(1)無機相變材料主
3、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，價格便宜，體積蓄熱密度大，熔解熱大，熔點固定，熱導率比有機相變材料大，一般呈中性，且工作溫度跨度比較大，更重要的是可在高溫下進行蓄熱。例如KNO3-NaNO3熔鹽、K2CO3-Na2CO3熔鹽、CaCl2·6H2O、Na2HPO4·12H2O、Na2CO3·10H2O、Na2SO4·5H2O等[1]。但其在使用過程中會出現(xiàn)過冷、相分離等不利因素，嚴重影響水合鹽的廣泛應用[2-3]。(2)有機相變材料主要包括石蠟,脂肪酸、某些
4、高級脂肪烴、醇、羧酸及鹽，包括石蠟類、非石蠟類、某些聚合物等。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-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,22過冷度輕,無腐蝕,熱效率高,是很有發(fā)展前途的相變材料[4]。(3)復合材料蓄熱主要是指相變材料和高熔點支撐材料組成混合儲熱材料的蓄熱方式。與普通固-液相變材料相比，它不需要封裝器具，減少了封裝成本和封裝難度，避免了材料泄漏的危險，增加了材料使用的安全性，減小了容器的傳熱熱阻，
5、有利于相變材料與傳熱流體間的換熱，例如定形石蠟丸、表面交聯(lián)型HDPE[5]。材料的復合化可將各種材料的優(yōu)點集合在一起,制備復合相變材料是潛熱蓄熱材料的一種必然的發(fā)展趨勢。根據(jù)蓄熱方式進行分類(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、技術較成熟、材料來源豐富及成本低廉，因此廣泛地應用于化工、冶金、熱動等熱能儲存與轉(zhuǎn)化領域。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
6、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)進行有序-無序的轉(zhuǎn)變而可逆地進行儲、放熱。當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)化學反應蓄熱是利用可逆化學反應通過熱能與化學熱的轉(zhuǎn)化來進行儲能的。它在受熱或冷卻時發(fā)生可逆反應，分別對外吸熱或放熱，這樣就可
7、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，而且如果反應過程能用催化劑或反應物控制，可長期儲存熱量。根據(jù)蓄熱溫度范圍進行分類(1)低溫范圍——100℃以下的蓄熱。低溫蓄熱主要用于廢熱回收、太陽能低溫熱利用及供暖空調(diào)系統(tǒng)。蓄熱系統(tǒng)組成簡單、成本較低，常用的蓄熱材料有水、水-砂、巖石等，其中熱水應用的最為廣泛。在此應用溫度范圍內(nèi)的蓄熱技術基本成熟。(2)中溫范圍——100～250℃的蓄熱。中溫PCM效率相對較低,體積和質(zhì)量相對龐大,各方面要求相對也低,適合大規(guī)模應用,主要針對地面民用領域，經(jīng)常作為產(chǎn)
8、業(yè)的加熱源，可用于化工生產(chǎn)、冶金、發(fā)電等場合。(3)高溫范圍——250℃以上的蓄熱。高溫蓄熱常用于高溫余熱回收利用、熱機、太陽能熱發(fā)電、太陽能熱解制氫、磁流體發(fā)電以及人造衛(wèi)星等場合。對于回收的熱能，無論數(shù)量和溫度隨時間變動都比較小時，可采用余熱鍋爐，以高溫高壓的水蒸氣形式回收，或轉(zhuǎn)換為電力或作為熱源進行有效地利用。221.1.3相變蓄熱材料的遴選原則在能源供給漸趨緊張的今天,相變材料以
