[科普中國]-蓄熱材料

介紹

蓄熱材料就是一種能夠儲存熱能的新型化學(xué)材料。它在特定的溫度( 如相變溫度) 下發(fā)生物相變化，并伴隨著吸收或放出熱量，可用來控制周圍環(huán)境的溫度，或用以儲存熱能。它把熱量或冷量儲存起來，在需要時再把它釋放出來，從而提高了能源的利用率。1

工作過程蓄熱材料的工作過程包括兩個階段：一是熱量的儲存階段，即把高峰期多余的動力、 工業(yè)余熱廢熱或太陽能等通過蓄熱材料儲存起來；二是熱量的釋放階段，即在使用時通過蓄熱材料釋放出熱量，用于采暖、供熱等。熱量儲存和釋放階段循環(huán)進行，就可以利用蓄熱材料解決熱能在時間和空間上的不協(xié)調(diào)性，達到能源高效利用和節(jié)能的目的。

種類按蓄熱方式來分，蓄熱材料可以分為四類：顯熱蓄熱材料 、相變蓄熱材料、熱化學(xué)蓄熱材料和吸附蓄熱材料。

1、顯熱蓄熱材料

顯熱蓄熱材料是利用物質(zhì)本身溫度的變化過程來進行熱量的儲存，由于可采用直接接觸式換熱，或者流體本身就是蓄熱介質(zhì)，因而蓄、放熱過程相對比較簡單，是早期應(yīng)用較多的蓄熱材料。在所有的蓄熱材料中顯熱蓄熱技術(shù)最為簡單也比較成熟。

顯熱蓄熱材料大部分可從自然界直接獲得，價廉易得。顯熱蓄熱材料分為液體和固體兩種類型，液體材料常見的如水，固體材料如巖石 、鵝卵石 、土壤等,其中有幾種顯熱蓄熱材料引人注目 ,如Li2O與Al2O3、TiO2等高溫?zé)Y(jié)成型的混合材料。

由于顯熱蓄熱材料是依靠蓄熱材料的溫度變化來進行熱量貯存的 ，放熱過程不能恒溫 ，蓄熱密度小 ，造成蓄熱設(shè)備的體積龐大，蓄熱效率不高，而且與周圍環(huán)境存在溫差會造成熱量損失，熱量不能長期儲存，不適合長時間、大容量蓄熱，限制了顯熱蓄熱材料的進一步發(fā)展。

2、相變蓄熱材料

相變蓄熱材料是利用物質(zhì)在相變（如凝固/熔化、凝結(jié)/汽化、固化/升華等）過程發(fā)生的相變熱來進行熱量的儲存和利用。

與顯熱蓄熱材料相比 ，相變蓄熱材料蓄熱密度高,能夠通過相變在恒溫下放出大量熱量。雖然氣一液和氣一固轉(zhuǎn)變的相變潛熱值要比液一固轉(zhuǎn)變 、固一固轉(zhuǎn)變時的潛熱大，但因其在相變過程中存在容積的巨大變化，使其在工程實際應(yīng)用中會存在很大困難 。根據(jù)相變溫度高，潛熱蓄熱可分為低溫和高溫兩種，低溫潛熱蓄熱主要用于廢熱回收 、太陽能儲存以及供熱和空調(diào)系統(tǒng)。高溫相變蓄熱材料主要有高溫熔化鹽類 、混合鹽類 、金屬及合金等 ,主要用于航空航天等。常見的潛熱蓄熱材料有六水氯化鈣、三水醋酸鈉 、有機醇等 。

潛熱蓄熱方式具有蓄熱密度較高(一般都可以達到200kJ/kg以上)，蓄、放熱過程近似等溫，過程容易控制等優(yōu)點，因此相變蓄熱材料是當(dāng)今蓄熱材料研究和應(yīng)用的主流。

3、熱化學(xué)蓄熱材料

熱化學(xué)蓄熱材料多利用金屬氫化物和氨化物的可逆化學(xué)反應(yīng)進行蓄熱，在有催化劑、溫度高和遠(yuǎn)離平衡態(tài)時熱反應(yīng)速度快。國外已利用此反應(yīng)進行太陽能貯熱發(fā)電的實驗研究，但需重點考慮儲存容器和系統(tǒng)的嚴(yán)密性，以及生成氣體對材料的腐蝕等問題 。

熱化學(xué)蓄熱材料具有蓄熱密度高和清潔、無污染等優(yōu)點 ，但反應(yīng)過程復(fù)雜 、技術(shù)難度高 ，而且對設(shè)備安全性要求高，一次性投資大，與實際工程應(yīng)用尚有較大距離。

4、吸附蓄熱材料

吸附是指流體相(含有一種或多種組分的氣體或液體)與具有多孔的固體顆粒相接觸時 ，固體顆粒(即吸附劑)對吸附質(zhì)的吸著或持留過程。因吸附劑固體表面的非均一性，伴隨著吸附過程產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)化效應(yīng) ，稱為吸附熱。在吸附 脫附循環(huán)中，可通過熱量儲存、釋放過程來改變熱量的品位和使用時間,實現(xiàn)制冷、供熱以及蓄熱等目的。

吸附蓄熱是一種新型蓄熱技術(shù)，研究起步較晚 ，是利用吸附工質(zhì)來對吸附/解吸循環(huán)過程中伴隨發(fā)生的熱效應(yīng)進行熱量的儲存和轉(zhuǎn)化。吸附蓄熱材料的蓄熱密度可高達800 ～1000kJ/kg，具有蓄熱密度高、蓄熱過程無熱量損失等優(yōu)點。由于吸附蓄熱材料無毒無污染，是除相變蓄熱材料以外的另一研究熱點，但由于吸附蓄熱材料通常為多孔材料，傳熱傳質(zhì)性能較差，而且吸附蓄熱較為復(fù)雜，是重點研究解決的問題。2

蓄熱材料的發(fā)展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)合材料擴展到蓄熱材料領(lǐng)域,提出將有機相變材料與無機物進行納米復(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。

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0. 55 kg/kg，，用于蓄熱時其蓄熱密度達到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)還促進了無機鹽的化學(xué)吸附。

蓄熱材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用近年來，蓄熱材料的應(yīng)用十分廣泛，它在紡織工業(yè)、航天領(lǐng)域、建筑工業(yè)以及空調(diào)領(lǐng)域都有較多的應(yīng)用。

蓄熱材料在紡織工業(yè)中的應(yīng)用20 世紀(jì) 70 年代末 80 年代初，美國國家航空航天局空間研究所選擇一種相變材料，利用其存儲和釋放潛熱的性能，將相變材料封裝入微膠囊，形成微膠囊相變材料。采用各種方式將微膠囊相變材料加入紡織品中，制成的紡織品具有溫度調(diào)節(jié)功能。它可以根據(jù)外界環(huán)境的溫度變化，為人體提供一個舒適的微氣候環(huán)境，在人體與外界環(huán)境之間，對人體體溫起到積極的調(diào)節(jié)作用。另外還可以做成運動服裝、滑雪服、滑雪服、手、襪類，它還可以用在理療上，調(diào)節(jié)溫度，對病人的病情起到良好的輔助治療作用。

蓄熱材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用高溫蓄熱技術(shù)是太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，通常利用蓄熱材料固液相變時的熔化潛熱來蓄熱。在軌道的日照期，聚能器將截取的太陽能聚集到吸熱器圓柱形腔內(nèi)，被吸收轉(zhuǎn)化成熱能，其中一部分熱能傳遞給循環(huán)工質(zhì)以驅(qū)動熱機發(fā)電，其余的熱能被封裝在單元換熱管上多個小容器內(nèi)的蓄熱材料吸收儲存起來，此時的蓄熱材料部分或全部變?yōu)楣虘B(tài)，儲存的能量被釋放出來，使出口的循環(huán)工質(zhì)溫度仍能維持在循環(huán)所要求的最低峰值溫度上。保證空間站處于陰影期時熱機仍能連續(xù)工作，保證連續(xù)供電。

蓄熱材料在建筑工業(yè)中的應(yīng)用我們將相變材料加入到傳統(tǒng)建筑材料中組成相變儲能建筑材料，它能夠作建筑結(jié)構(gòu)材料，承受載荷; 同時相變儲能建筑材料又具有較大的蓄熱能力。蓄熱建筑材料具有普通建筑材料無法比擬的熱容，可提高建筑物的熱慣性，使室內(nèi)溫度變化幅度減小，提高舒適度，并減少采暖或空調(diào)設(shè)備的開停次數(shù)，從而提高設(shè)備的運行效率并節(jié)能。而且可以有效利用電網(wǎng)低谷時期電力運行采暖或空調(diào)設(shè)備并將熱量或冷量儲存在蓄熱建筑材料中，達到平衡電網(wǎng)負(fù)荷和節(jié)省運行費用的目的。

蓄熱材料在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用蓄熱空調(diào)裝置是當(dāng)電網(wǎng)處于低峰負(fù)荷時，即在電力負(fù)荷的低谷期，在不需裝備鍋爐的條件下，通過熱泵或電熱器產(chǎn)熱，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，利用蓄熱介質(zhì)的顯熱或潛熱特性，通過專用系統(tǒng)將熱能儲存在專門設(shè)置的容器內(nèi)，而在電力負(fù)荷的高峰期將熱量釋放出來，根據(jù)需要，自動調(diào)節(jié)輸送至空調(diào)系統(tǒng)中，以滿足建筑物空調(diào)或生產(chǎn)工藝的需要。采用蓄熱空調(diào)后，在調(diào)荷避峰的情況下，雖然把大負(fù)荷的用電設(shè)備停止運轉(zhuǎn)，也能有熱水自保
溫的容器中不斷的在中央空調(diào)的變峰量或風(fēng)機盤管等管道中循環(huán)，繼續(xù)維持空調(diào)取暖，使室內(nèi)仍保持在舒適的環(huán)境中。蓄熱空調(diào)無論對供電部門還是對用戶都會受到認(rèn)可和歡迎的。3