相变材料的筛选原则与应用场景
2018-09-06 10:49:43   来源:

相变材料(phase change material,简称PCM),是指在物质发生相变时,可吸收或释放大量能量(即相变焓)的一类材料。由于相变材料是利用潜热储能,储热密度大,蓄热装置结构紧凑,并且在相变过程中本身温度基本不变,易于管理,随着全球节能意识的提高,相变材料的这一特性引起了研究人员的重视,相变储热技术在储能领域越来越大放异彩。

相变材料的筛选原则

相变材料种类很多,依照不同分类方法可以被分为很多种。例如,按照相变方式不同分类,可以分为固—固相变材料、固—液相变材料和固—气相变材料;按照材料种类分,可分为无机相变材料、有机相变材料和复合相变材料。生活中最常见的相变材料是水,早在数千年前,古人就懂得利用水的相变过程来进行实物保鲜或制冷。

虽然相变材料有很多种,但并不是所有相变材料都可被利用。目前公认的相变材料筛选原则如下:( 1)相变温度在实际应用操作范围内。 (2)潜热储存能力高。 (3)导热率高。 (4)稳定的化学和热性能。 (5)无毒,无腐蚀性,对环境无害。 (6)成本低,易于获得。 (7)相变过程中体积变化小。 (8)不发生过冷现象或过冷度很小。目前大多用的是固—液相变材料,由于相的改变,通常要对相变材料进行封装以防泄露。

相变材料在太阳能领域的应用

目前,太阳能系统基本步入家家户户,但是也存在一些缺点,如:太阳能利用是间歇性的,夜晚不可用。将相变材料应用到太阳能系统,可以保证在没有太阳辐射的情况下也可以应用太阳能。相变材料可以应用在太阳能热电厂、太阳能空气加热器、太阳能热水器、太阳能海水淡化器、太阳能炊具等等领域。以下图为例,该装置主要包括三部分:a)太阳能系统单元,b)双重管道热能存储器(TES),以及c)储水箱。当有太阳时,含有相变材料的TES处于充能阶段,此时阀门1打开,阀门2关闭;无太阳辐射时,阀门1关闭而阀门2开启。

利用TES技术制备的太阳能热水系统实验装置图

另外,长久使用的相变材料储能罐,由于腐蚀作用,可能会造成太阳能热电厂的故障。对此,建议使用不锈钢材料的封存罐,以防止相变材料的腐蚀。

三、相变材料在空调储冷系统中的应用

近年来,全国安装的空调数量不断增加,这意味着有很大一部分电能被应用于空调系统,在夏季等用电高峰期,会对全球=过的电力系统造成很大的负荷。将PCM存储系统放入空调的压缩蒸汽循环中,可以存储来自蒸发器的冷量;在非高峰用电阶段,PCM可以存储多余的冷量,然后在高峰用电期释放,起到“移峰填谷”的效果。

相变蓄冷空调系统示意图

常用的相变蓄冷装置有球形胶囊蓄冷装置和壳管式蓄冷装置。球形胶囊蓄冷装置是指将PCM封装到聚乙烯球中并安置在冷水箱中,水直接与相变球交换热量。壳管式冷藏装置通常呈圆柱形或矩形,其由浸没在静止PCM中的水平或垂直平行弯曲管道组成,流体流经管的四周。两种装置传热性能的影响因素各不相同,但是封装相变材料的壁材的物理性能都及其重要。

相变材料在建筑围护结构中的应用

除了可以将相变材料放置在空调系统中以此来降低能耗之外,直接将相变材料与建筑围护结构相结合也可以达到调节室内温度,减少室内温度波动幅度的作用。目前研究大多将相变材料结合在石膏墙板、混凝土中,或是与做成薄膜与窗户相结合;在北方地区,地板下有地暖系统,与相变材料相结合可以进一步达到节能的效果。

应用在建筑中的相变材料的封装方法有以下几种:直接浸渍法、微胶囊法和多孔材料吸附法等等。其中,直接浸渍法是直接将建筑材料浸润着相变材料中,这种方法会造成较为严重的泄露,现在大多不被采用。使用微胶囊法或多孔材料吸附法制备的相变材料粉末,可以作为混凝土的细骨料加入,对其力学性能虽有一定损伤,但是不会发生严重泄露。

相变材料的改性

为了进一步提高相变材料的储放热效率,通常要对其进行改性,以提高相变材料的导热性能。相变材料的传热十分复杂,因为相变过程中会发生固液转变,往往认为相变材料的传热是由对流和热传导共同控制的。提高相变材料的导热性能通常从两个方面入手:一是对储能装置的改进,如采用翅片来增加其和流体之间的传热面积、或采用多层相变材料组合式方式;二是对相变材料自身导热的改进,添加一些导热率高的材料进行复合,如膨胀石墨、石墨烯等。

在相变材料中加入纳米结构的材料也可以达到这一效果,如碳纳米管、纳米金属粉末、纳米线等等。总之,在目前节能减排的大环境下,相变材料的应用前景十分值得进一步的研究,以真正发挥相变材料在实际生活中的作用。

 

化学慧定制合成事业部摘录