相变材料及其在贮热中的应用

相变材料及其在贮热中的应用

钟学明1　肖金辉2　邓安民1　舒红英1(1南昌航空工业学院环境与化学工程系,江西,南昌,3300342南昌航空工业学院环境与化学工程系2003届毕业生)

摘　要:相变材料是绿色材料,种类达4300多种,用于贮热具有清洁和节能的特点。本文系统地介绍了相变材料分类及其特点,主要讨论了相变材料在太阳能、电力、工业热能、建筑物、纺织品等工业与民用方面的应用。关键词:相变材料　贮热　应用

相变材料在特定的温度(相变温度)发生物

相变化,材料的分子排列在有序与无序之间迅

速转变,伴随吸收或释放热能的现象来贮存或

放出热能,进而调整、控制工作源或材料周围环

境温度。二十世纪三十年代以来,特别是受二

十世纪七十年代世界性能源危机的影响,相变

贮热的基础理论和应用技术研究在美国、德国、

日本、加拿大等发达国家迅速崛起并且不断发

展。能源消耗快速增长以及伴随而来的环境

污染,使得相变材料在贮热中的应用,成为近年

来受到国内外广泛重视的课题。

1　相变材料的分类和特点

从贮热材料的贮热方式看,可分为显热式

贮热和潜热式贮热。所谓显热式贮热,就是通

过贮热加热介质,使贮热材料的温度升高吸收

热能而贮热,又称为“热容式贮热”。所谓潜热

式贮热,就是通过加热贮热介质到相变温度,使

贮热材料发生相变吸收大量热能而贮热,又称

为“相交式贮热”。物质由固态转变为液态(熔

解),由液态转变为气态(气化),或由固态直接

转变为气态(升华),都会吸收热能;而进行逆过程时则释放热能。对于固液相变材料而言,当

温度升高时,相变材料吸收热能而熔化,贮存热

能;反之,当温度降低时,相变材料释放热能而

结晶,放出热能。这就是潜热式贮热所依据的

基本原理。材料的相变潜热约为其升高1℃热

容的100倍。与显热贮热材料相比,相变贮热

材料具有贮热密度高、能够在近似恒温下贮存

或放出大量热能、贮存或放出热能的过程容易

控制等优点。因此,潜热式贮热材料的研究和

应用更加广泛。

1.1　相变材料的分类

相变材料的种类很多,存在形式各种各样,

迄今为止,人们研究过的天然和合成的相变材

料已超过4300多种。从材料的化学组成来看,

可分为无机相变材料、有机相变材料和混合相

变材料三类。无机相变材料包括结晶水合盐、

熔融盐、金属合金等无机物;有机相变材料包括

石蜡、羧酸、酯、多元醇等有机物;混合相变材料

主要是有机和无机共融相变材料的混合物。从

贮热的温度范围来看,可分为高温、中温和低温

三类。高温相变材料主要是一些熔融盐、金属72　2003年12月相变材料及其在贮热中的应用 合金;中温相变材料主要是一些水合盐、有机物

和高分子材料;低温相变材料主要是冰、水凝

胶,应用于贮冷。从贮热过程中材料相态的变

化方式来看,又可分为固液相变、固固相变、固

气相变和液气相变四类。固液相变材料和固固

相变材料两大类研究较多、发展较快。目前,研

究和应用最为广泛的是固液相变材料。固液相

变材料包括水合盐、石蜡等;固固相变贮热材料

并不是发生了相态的变化,而是相变材料的晶

型发生了变化,当然在晶型变化过程中也有热

量的吸收和放出。固固相变材料包括高密度聚

乙烯、多元醇、以及具有“层状钙钛矿”晶体结构

的金属有机化合物。因为气体占有的体积大,固气相变和液气相变体系体积变化大,设备复

杂,经济实用性差,所以尽管其相变潜热较大,实际上一般很少用于贮存热能。

1.2　相变材料的特点

理想的相变贮热材料应具有以下特点:相

变温度合适、相变潜热高、相变可逆性好,相变

时体积变化小、廉价易得、组成稳定、安全无毒、

无腐蚀性[8]。然而,同时满足这些要求的相变

材料并不多。

无机相变材料中最典型的是结晶水合盐

类,这类材料具有相变潜热高、导热系数大、相

变时体积变化小、价格便宜等优点。但是,这类

材料易出现过冷和相分离现象,对容器腐蚀性

较大。过冷现象与材料性质、冷却速度及杂质

种类和含量有关。要防止过冷现象常选用过冷

倾向、熔点比相变材料略高、组成与性质接近相

变材料的化合物。为了防止相分离,需要加入

防相分离剂。因此,在实际应用中相变贮热材料通常为多组分的,包括主贮热剂、相变温度调

整剂、防过冷剂、促进剂、防相分离剂等。

有机相变材料具有固体成型好、不易发生

相分离及过冷现象、腐蚀性较小、性能稳定等优

点,但与无机物相比,其导热性较差,熔点较低,

相变潜热较低且易挥发、易燃烧、价格昂贵等缺

点。

固液相变材料主要优点是价格便宜,但是

存在过冷和相分离现象,从而导致贮热性能恶

化;易产生泄露问题,污染环境;腐蚀性较大,封

装容器价格高等缺点。

与固液相变材料相比,固固相变材料具有

不少优点。可以直接加工成型,不需容器盛装;

固固相变材料膨胀系数较小,相变时体积变化

较小;不存在过冷和相分离现象,不需要加入防

过冷剂和防相分离剂;毒性很低,腐蚀性很小;

无泄露问题,对环境不产生污染;组成稳定,相

变可逆性好,使用寿命长;装置简单,使用方便。

固固相变材料主要缺点是相变潜热较低,价格

较高。

2　相变材料的应用

利用相变材料贮热和放热的特性,可做成

各种贮热节能装置和温控系统,并且具有以下

优点:装置简单;使用方便;节能效率高;管理和

维修简便;经济效益好。相变贮热材料适用于

热能的供应与需求之间失衡的各种情形与场

合,包括太阳能、电力、工业余热、建筑物、纺织

品、太空站、军事等领域,而且已进入实用阶段。

目前,相变贮热材料已用于住宅、办公楼和公共

活动场所的取温和保温,绿色建筑,电子通讯,

计算机,药品和食物贮存。例如,把六水氯化钙82江　西　化　工2003年第4期　装封制作的坐垫,适用于家庭、办公室、沙发、汽

车、火车等。以下主要讨论相变材料在太阳能、

电力、工业余热、建筑物、纺织品等工业和民用

方面的应用。

2.1　太阳能贮存

太阳能是巨大的清洁能源宝库,并且具有

取用方便的优点,利用太阳能是解决能源危机

的重要途径。特别是在一些高山地区,太阳辐

射强度较大,而且其他能源短缺,充分利用太阳

能则更重要。但是,到达地球表面的太阳辐射

能量密度却不高,而且受地理、昼夜和季节等规

律性变化的影响,以及阴晴云雨等随机因素的

制约,其辐射强度也不断发生变化,而且具有稀

薄性、非连续性和不稳定性。为了保持供热或

供电装置稳定不间断地运行,就需要通过贮热

装置把太阳能贮存起来,在太阳能不足时再释

放出来,从而满足生产和生活用能连续和稳定

供应的需要。几乎所有用于采暖、供应热水、生

产过程用热的太阳能装置都需要贮存热能。

贮存太阳能的贮热材料常用相变材料。相

变贮热的效率明显高于显热贮热,如某些水合

盐的单位贮热量约为水的7倍,卵石的12倍。

JohnGipps研究了以硫代硫酸钠(Na2S203・5H20)

为相变材料贮存太阳能,其熔点为49℃,贮热

容量为20lJ/g;阮德水等人研究了以硫酸钠

(Na2S04・10H20)为相变材料贮存太阳能,其熔

点为32.4℃,贮热容量为125.6J/g。美国管道

系统公司(PipeSystemlnc.)以CaCl・6H20作为

相变材料贮存太阳能,美国太阳能公司(Solar

lnc.)以NaS04・10H20作为相变材料贮存太阳

能,都是应用较成功的实例。住宅采用相变材料,白天贮存太阳热能,夜

间向室内供热。这样,可提高夜间最低室温,减

少室内温度的波动。1987年11月在河北省安

国县设计建造了一座农用太阳能温室,内部设

置了采用相变贮热材料制成的潜热贮热增温

器。利用相变材料的潜热贮热特性,贮存农用

栽培温室中白天过量的太阳能。当夜晚温度下

降到一定范围后,释放出白天贮存的热能,使一

天之中温室内温度曲线的高峰区有所下降,而

低谷区有所上升,昼夜之间的温差变小,以保证

冬季蔬菜等作物正常生长,而不需另设常规燃

料增温设备,节约了蒸汽锅炉、燃油暖风机等基

本建设投资和日常燃料的消耗。结果表明,温

室冬季夜间最低温度可以提高6℃,增温效果

明显。

2.2　电力调峰

2.2.1　普通电站

电力资源严重短缺,同时电力资源却严重

浪费。如我国的葛洲坝水利枢纽工程,其高峰

与低谷的发电输出功率分别为220万KW和80万KW,用电低谷发不出的电能只有通过放水

解决。若能把这部分能源回收和利用,则可大

大缓解能源紧张状况。

对于普通电站,利用相变材料进行电力调

峰,就是在发电输出功率处于低谷时,将电能转

化为热能并且利用相变材料贮存热能,而在发

电输出功率处于高峰时,将相变材料贮存的热

能释放出来并加于利用。在电站中采用相变材

料贮热技术,可以经济地解决高峰负荷,填平需

求低谷,比直接调节机组负荷更方便。对于火

力电站可以节约燃料,降低电厂的初期投资和92　2003年12月相变材料及其在贮热中的应用 燃料费用,提高机组的运行效率和改善机组的

运行条件,从而提高电厂的运行效益和改善电

厂的利用率,降低排气污染,改善环境。

2.2.2　太阳能电站电力调峰

相变材料贮热在太阳能电站的应用,显得

尤为重要。利用相变材料贮热和放热的特性,

可以做成蓄热器把太阳能暂时贮存起来,然后

在需要时释放出来。由于太阳能自身不可避免

的非连续性,蓄热器的放热不仅仅是由于高峰

负荷的需要,也可由于太阳能的不足(日照少或

为零),或兼而有之;蓄热器的贮热不仅仅是由

于负荷降低,也可由于太阳能过多(日照过多),或兼而有之。因此,贮热不仅削峰,而且填平了

低谷。如果没有贮热装置,太阳能电站将无法

稳定连续地供电。

2.2.3　核电站电力调峰

在核电站中,采用相变材料贮热,对高峰负

荷采用核电机组与贮能相结合的形式,可以减

少单独的高峰负荷机组的需要量,而且还可减

少低效率高峰机组使用的优质燃料(如轻油、煤

油、天然气等)。采用相变材料贮热,电站可以

按基本负荷运行,反应堆的运行最安全和最经

济。采用相变材料贮热,燃料的温度变化降到

最低限度,对燃料元件的损害就可以降到最小。

采用相变材料贮热,才能使得核电站相当大的

投资得到充分利用。因此,相变材料贮热在核

电站中同样具有很大的实用价值和实际意义。

2.3　工业热能贮存

工业生产消耗的能源约占能源消耗总量的

三分之一。冶金工业和化工工业连续地周期性

地放废热。采用相变材料回收和再利用这些废热,是一种经济可行的方案。

采用相变材料贮热,贮存回收碱性氧气转

炉或电炉的烟气余热以及干法熄焦中的废热,

既节约了能源,又减少了空气污染以及冷却、淬

火过程中水的消耗量。在造纸和制浆工业中,

燃烧废木料的锅炉适应负荷的能力较差,采用

相变材料贮热后,可以提高其负荷适应能力。

在食品工业的洗涤、蒸煮和杀菌等过程中,由于

负荷经常发生波动,采用相变材料贮热后,就能

很好地适应这种波动。纺织工业的漂白和染色

工艺过程中,也可采用相变材料贮热来满足负

荷波动。在采暖系统中,热能的供给应随需求

的变化而随时调整,因此贮热的作用显得更加

重要。采暖锅炉由于需求的波动导致锅炉启停

频繁,在启停过程中的能量损失非常大。采用

相变材料贮热后,有效地增加了系统贮热容量,

在一定范围内可以满足波动负荷的要求,从而

降低锅炉启停的频率,降低能量消耗。总之,采

用相变材料贮热后,可避免部分负荷运行情况

的发生,提高设备运行效率,而且节约能源。

2.4　建筑物室内温度的控制

2.4.1　室内取暖和保温

利用相变材料作为室内保温暖的装置已进

入实用阶段。在有暖气的室内安装相变材料蓄

热器后,当通入暖气时,它会把热贮存起来,当

停止送暖气时,它会放出热量,维持室内的温度

较为恒定。而且,相变材料蓄热器还适用于白

天、晚上温差较大或日照较强的地区。将相变