第二章相變儲(chǔ)能材料的分類和選擇演示文稿

第二章相變儲(chǔ)能材料的分類和選擇演示文稿當(dāng)前第1頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)優(yōu)選第二章相變儲(chǔ)能材料的分類和選擇當(dāng)前第2頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)2.1

儲(chǔ)熱的幾種方式顯熱儲(chǔ)能潛熱儲(chǔ)能當(dāng)前第3頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)熱容：對(duì)不發(fā)生相變化和化學(xué)變化，且非體積功等于零的封閉系統(tǒng)，系統(tǒng)每升高單位熱力學(xué)溫度（1K）所吸收的熱。

利用材料的熱容，通過(guò)升高或降低材料的溫度而實(shí)現(xiàn)熱量的存儲(chǔ)或釋放的過(guò)程。平均熱容：顯熱儲(chǔ)能當(dāng)前第4頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)如：太陽(yáng)能熱儲(chǔ)存方式水、土壤、砂石及巖石是最為常見(jiàn)的顯熱儲(chǔ)熱材料。德國(guó)漢堡生態(tài)村的設(shè)計(jì)中，采用了一個(gè)容量為4500L的大儲(chǔ)水罐作為儲(chǔ)存一年四季中采集的太陽(yáng)能的儲(chǔ)存設(shè)備。美國(guó)華盛頓地區(qū)利用地下土壤儲(chǔ)存太陽(yáng)能，用于供暖和提供生活熱水。在夏季結(jié)束時(shí)，土壤溫度可上升至80℃，而在供暖季節(jié)結(jié)束時(shí)，溫度降低為40℃當(dāng)前第5頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)顯熱儲(chǔ)能的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)原理簡(jiǎn)單、材料來(lái)源豐富、成本低廉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行方便缺點(diǎn)儲(chǔ)能密度小、儲(chǔ)能裝置體積大當(dāng)前第6頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)潛熱儲(chǔ)能

利用物態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中伴隨的能量吸收和釋放進(jìn)行的。相變潛熱：相變過(guò)程中伴有的能量的吸收或釋放，這部分能量稱為相變潛熱。當(dāng)前第7頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)比顯熱儲(chǔ)能高得多的儲(chǔ)能密度。潛熱儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)如：水水在大氣壓力下，水沸騰其潛熱約為2260kJ/kg，冰融化其潛熱為355kJ/kg.水在1個(gè)大氣壓力下，從20℃加熱到40℃，溫差為20℃的顯熱僅為84kJ/kg當(dāng)前第8頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)（4）SolidGas（1）SolidSolid（2）SolidLiquid融化或熔化凝固或固化（3）LiquidGas汽化或蒸發(fā)液化或凝結(jié)升華凝華實(shí)際很少利用相變過(guò)程中氣體所占體積太大可行的相變儲(chǔ)能方式材料的體積變化小2.2儲(chǔ)能材料的相變形式當(dāng)前第9頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)2.3相變儲(chǔ)能材料的定義及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)利用某些物質(zhì)在相轉(zhuǎn)變過(guò)程中的吸熱和放熱，可以進(jìn)行熱能的儲(chǔ)存和溫度調(diào)節(jié)控制，這種具有熱能存儲(chǔ)和溫度調(diào)控功能的物質(zhì)稱為相變材料（Phasechangematerials,PCMs）

不是所有物質(zhì)的相變過(guò)程都可以用于儲(chǔ)能目的，PCMs能夠“…經(jīng)受無(wú)限制次數(shù)的熔化和凝固循環(huán)，其物理與化學(xué)性質(zhì)沒(méi)有變化”

1.定義當(dāng)前第10頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)熔點(diǎn)，在需要的溫度范圍內(nèi)。單位質(zhì)量潛熱大，以便以較少的數(shù)量即能儲(chǔ)存給定數(shù)量的熱能。密度高，這樣盛裝的容器會(huì)更小。比熱大，以提供額外的顯熱效果。熱導(dǎo)率大，以便儲(chǔ)、放熱時(shí)儲(chǔ)存物質(zhì)內(nèi)的溫度梯度小。協(xié)調(diào)融解，材料應(yīng)該熔化完全，以使液相和固相在組成上完全相同。否則，因液體與固體密度差異發(fā)生分離，材料的化學(xué)組成改變。相變過(guò)程的體積變化小，以使盛裝容器形狀簡(jiǎn)單。2.3相變儲(chǔ)能材料的定義及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)2.評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（1）熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前第11頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)凝固時(shí)無(wú)過(guò)冷現(xiàn)象或過(guò)冷度很小。熔體應(yīng)該在其熱力學(xué)凝固點(diǎn)結(jié)晶。這可通過(guò)高的晶體成核速度(Nucleationrate)及生長(zhǎng)速率來(lái)實(shí)現(xiàn)，有時(shí)也可向儲(chǔ)熱材料中加入成核劑或“冷指”(Coldfinger)來(lái)抑制過(guò)冷現(xiàn)象。（2）動(dòng)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)2.3相變儲(chǔ)能材料的定義及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)2.評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前第12頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)高穩(wěn)定性。不發(fā)生分解，以使?jié)摕醿?chǔ)能材料具有長(zhǎng)期的使用壽命。對(duì)構(gòu)件材料無(wú)腐蝕作用。材料應(yīng)該無(wú)毒性、不燃、無(wú)爆炸性。（3）化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)2.3相變儲(chǔ)能材料的定義及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)2.評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（4）經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)可大量獲得。廉價(jià)。先考慮有合適的相變溫度和較大的相變熱，再考慮各種影響研究和應(yīng)用的綜合性因素。當(dāng)前第13頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)2.4相變儲(chǔ)能材料的分類高溫儲(chǔ)能材料（250℃以上）中溫儲(chǔ)能材料（100～250℃）低溫儲(chǔ)能材料(100℃以下）按照相變溫度的范圍當(dāng)前第14頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)相變材料無(wú)機(jī)類有機(jī)類混合類結(jié)晶水合鹽（如Na2SO4·10H2O)熔融鹽有機(jī)類與無(wú)機(jī)類相變材料的混合金屬（包括合金）石蠟類酯酸類其它有機(jī)類其它無(wú)機(jī)類相變材料（如水）按照材料的組成成分2.4相變儲(chǔ)能材料的分類當(dāng)前第15頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)

2.4.1固－液相變材料

1、無(wú)機(jī)類：結(jié)晶水合鹽結(jié)晶水合鹽提供了熔點(diǎn)從幾攝氏度到一百多攝氏度的可供選擇的相變材料結(jié)晶水合鹽的通式：AB·mH2O相變機(jī)理：AB·mH2OAB+mH2O加熱（T>Tm)冷卻（T<Tm)AB·mH2OAB·pH2O+(m-p)H2O加熱（T>Tm)冷卻（T<Tm)當(dāng)前第16頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)Na2SO4·10H2O(芒硝）（Glauber’ssalt)MgCl2?6H2OCaCl2?6H2O常用的結(jié)晶水合鹽2.4.1固－液相變材料

當(dāng)前第17頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)是中、低溫儲(chǔ)熱相變材料中重要的一類優(yōu)點(diǎn)：使用范圍廣、價(jià)格較便宜、導(dǎo)熱系數(shù)較大（與有機(jī)類相變材料相比）融解熱較大、密度較大、體積儲(chǔ)熱密度較大、一般呈中性結(jié)晶水合鹽的特點(diǎn)2.4.1固－液相變材料

導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為1度（K，℃），在1秒鐘內(nèi)（1S）（非1H，1小時(shí)內(nèi)），通過(guò)1平方米面積傳遞的熱量，單位為瓦/米·度（W/(m·K)，此處為K可用℃代替）。當(dāng)前第18頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)（1）過(guò)冷現(xiàn)象：物質(zhì)冷凝到“冷凝點(diǎn)”時(shí)并不結(jié)晶,而須到“冷凝點(diǎn)”以下的一定溫度時(shí)方開(kāi)始結(jié)晶。導(dǎo)致物質(zhì)不能及時(shí)發(fā)生相變，從而影響熱量的及時(shí)釋放和利用產(chǎn)生原因：水合鹽結(jié)晶時(shí)成核性能差解決辦法：①加成核劑（如：芒硝，成核劑為硼砂）②冷指法：即保留一部分冷區(qū)，使未融化的部分晶體作為成核劑。存在問(wèn)題：2.4.1固－液相變材料

當(dāng)前第19頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)存在問(wèn)題：2.4.1固－液相變材料

（2）相分離：當(dāng)溫度上升時(shí)，釋放出來(lái)的結(jié)晶水的數(shù)量不足以溶解所有的非晶態(tài)固體脫水鹽，由于密度的差異，這些未溶脫水鹽沉降到容器底部，在逆相變過(guò)程中，即溫度下降時(shí)，沉降到底部的脫水鹽無(wú)法與結(jié)晶水結(jié)合而不能重新結(jié)晶，使得相變過(guò)程不可逆，形成相分層，導(dǎo)致溶解的不均勻性，從而造成儲(chǔ)能能力逐漸下降解決辦法：

①加增稠劑，可防止混合物中成分的分離②加晶體結(jié)構(gòu)改變劑③盛裝相變材料的容器采用薄層結(jié)構(gòu)④搖晃或攪動(dòng)。當(dāng)前第20頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)2、有機(jī)類：（石蠟）高級(jí)脂肪烴類、脂肪酸、醇類多羥基碳酸類、聚烯烴類、聚多元醇類同系有機(jī)物的相變溫度和相變焓會(huì)隨著其碳鏈的增長(zhǎng)而增大，但隨著碳鏈的增長(zhǎng)，相變溫度的增加值會(huì)逐漸減小，其熔點(diǎn)最終將趨于一定值高分子化合物類的相變材料，由于它是具有一定分子量分布的混合物，并且由于分子鏈較長(zhǎng)，結(jié)晶并不完全，因此它的相變過(guò)程有一個(gè)熔融溫度范圍，而不像低分子量的物質(zhì)有一個(gè)熔融尖峰。2.4.1固－液相變材料

當(dāng)前第21頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：①在固體狀態(tài)時(shí)成型性較好②一般不容易出現(xiàn)過(guò)冷現(xiàn)象和相分離③材料的腐蝕性較?、苄阅鼙容^穩(wěn)定⑤毒性?、蕹杀镜?。有機(jī)類相變材料的特點(diǎn)2.4.1固－液相變材料

缺點(diǎn)：①導(dǎo)熱系數(shù)?、诿芏容^小，從而單位體積的儲(chǔ)能能力較?、廴埸c(diǎn)較低，不適于高溫場(chǎng)合中應(yīng)用④易揮發(fā)、易燃燒甚至爆炸或被空氣中的氧氣緩慢氧化而老化當(dāng)前第22頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)2.4.2固-固相變儲(chǔ)能材料1、無(wú)機(jī)鹽類利用固體狀態(tài)下不同種晶型的變化而進(jìn)行吸放熱的材料。主要有層狀鈣鈦礦、Li2SO4

、KHF2

等，它們的相變溫度較高，適合高溫范圍的儲(chǔ)能和控溫中、低溫的材料較少，且由于其相變焓一般較小，因此不能完全滿足人們的需要，目前在實(shí)際中應(yīng)用也不是很多當(dāng)前第23頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)2、多元醇類季戊四醇、新戊二醇、2-氨基-2-甲基-1.3-丙二醇、三羥甲基乙烷、三羥甲基氨基甲烷該相變材料儲(chǔ)能原理是利用晶型之間的轉(zhuǎn)變來(lái)進(jìn)行吸熱或放熱的。它們的相變焓較大，相變溫度適合于中、高溫儲(chǔ)能應(yīng)用，對(duì)低溫儲(chǔ)能不太適用。2.4.2固-固相變儲(chǔ)能材料當(dāng)前第24頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)3、高分子類一些高分子交聯(lián)樹(shù)脂：如交聯(lián)聚烯烴類、交聯(lián)聚縮醛類和一些接枝共聚物。2.4.2固-固相變儲(chǔ)能材料高分子類相變材料目前種類較少，尚處在研究開(kāi)發(fā)階段。當(dāng)前第25頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)2.4.2固-固相變儲(chǔ)能材料固－固相變材料的優(yōu)點(diǎn)①它無(wú)需容器盛裝，可以直接加工成型；②固－固相變膨脹系數(shù)較小，體積變化??；③無(wú)過(guò)冷現(xiàn)象和相分離現(xiàn)象；④無(wú)毒、無(wú)腐蝕、無(wú)污染；⑤性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)；⑥使用方便，裝置簡(jiǎn)單。固－固相變材料是最有前途的研究領(lǐng)域之一。由于對(duì)固－固相變研究的時(shí)間相對(duì)較短，尚有大量的未開(kāi)墾的領(lǐng)域。當(dāng)前第26頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)2.4.3復(fù)合相變材料

（1）膠囊包覆

將相變材料封閉在球形的膠囊中，制成膠囊型復(fù)合相變材料來(lái)改善應(yīng)用性能。優(yōu)點(diǎn)：能有效解決相變材料的泄漏、相分離以及腐蝕性等問(wèn)題缺點(diǎn)：膠囊體材料大都采用高分子物質(zhì)，其熱導(dǎo)率較低，從而降低了相變材料的儲(chǔ)熱密度和熱性能。當(dāng)前第27頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)2.4.3復(fù)合相變材料

（2）與多孔基質(zhì)復(fù)合

利用具有大比表面積微孔結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)物作為支撐材料，通過(guò)微孔的毛細(xì)作用力將液態(tài)的有機(jī)物或無(wú)機(jī)物相變儲(chǔ)熱材料（高于相變溫度條件下）吸入到微孔內(nèi)，形成有機(jī)/無(wú)機(jī)或無(wú)機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料。當(dāng)前第28頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)2.4.3復(fù)合相變材料

（3）與高分子材料復(fù)合

將有機(jī)相變材料與高分子材料進(jìn)行復(fù)合，制備出在發(fā)生相變前后均呈固態(tài)而保持形體不變的定形相變材料。當(dāng)前第29頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期五\9點(diǎn)圖1儲(chǔ)