（制冷及低温工程专业论文）组合相变材料储热的理论与实验研究.pdf

塑坚奎堂竖主丝! 垒苎! 三型曼 一! 苎 组合相变材料储熟的理论与实验研究 ( 浙江燃。淼工酾究樱3 7 0 6 j7 3 ( 浙江大学制冷与低温工程研究所y6 j 穹 摘要 f 相变储热，特别是固一液相变储热，因其储热密度大、储热放热过程近似等温、 l 过程易控制等特点，目前广泛应用于太空太阳能动力系统、地面太阳能热利用、建 筑物集中空调冰蓄冷以及计算机和通讯部件的热控制等领域，现已成为有效利用新 能源和节能的重要途径。研究和开发利用相变储热的关键是选择或合成高效的相变 材料和增强相变储热系统的传热性能。提高相变储热系统的储热放热速率、改善储 热放热过程的传热速率的均匀性、强化相变材料的传热能力和增强相变材料的长期 稳定性是目前相变储热研究面临的重要课题。 f a f i d 于1 9 8 6 年提出了组合相变材料储热的最初设想，即在封装型相变储热系 统中，通过同时选用并合理布置多种相变材料储热单元，相交储热系统的储热放热 速率可望明显提高，并且储热放热速率的均匀性将得到显著改善。国内外的理论探 讨和实验结果表明，与传统的采用单一相变材料的储热系统相比，采用组合相变材 料储热系统的储热放热速率可以提高1 0 一3 0 ，但是储热放热速率的均匀性没有得 到明显改善。i 笨文详细分析了f a r i d 关于采用组合相变材料储热的理论构想，总结 了现有组合相变材料储热研究成果的基础上，认为在固液或固一固相变过程中相 变材料的传热热阻不断增大这一动态特性是导致组合相变材料储热系统的储热放热 速率不能进一步提高和储热放热速率的均匀性难以得到改善的主要原因。为此，本 文创造性地提出了相变材料在相变过程中具有恒定传热热阻的理想“均匀等速相变 传热”的理论设想，并开展了组合相变材料储热的实验研究。譬要研究内容包括以 l 下几个方面。 、 首先提出了理想“均匀等速相交传热”的新概念，通过理论研究，得到了等温 边界条件下实现一维“均匀等速相变传热”的条件和描述“均匀等速相变传热”过 程的抛物线形相变温度分布和完全相变时间的有关表达式，分析了相交前后材料的 热导率变化对相变速率的影响。证明了在一个相变储热单元中，可以通过选择并合 r f i ， 、 浙江大学博士学位论文王剑锋狷蛋 理封装多种相变材料的方法，近似实现“均匀等速相变传热”过程。以平板状相变 材料的储热单元为例，选择三种多元醇相变材料，对储热放热过程进行了数值模拟， 数值计算结果证实了“均匀等速相交传热”理论价值和应用潜力。 理想均匀等速相交传热过程的主要特点是，相变材料的相变温度呈抛物线形分 布，在相变过程中传热热阻恒定，相变速率均匀，而且任意时刻相变材料的任何部 位都处于均匀的两相状态。所以，处于理想均匀等速相变传热过程的相变材料内部 具有无穷多个彼此相连的相界面，因此从宏观上也可以认为不存在明显的两相分界 面。但是，满足理想均匀等速相变传热条件的相交材料的储热时间和放热时间往往 不相等。为此，作者对具有线性相交温度分布的相变材料进行了研究，分析了相界 面的移动规律，得到了等温边界条件下完全相变时间最短的最佳线性相变温度分布 的表达式。并而将最佳线性相变温度分布的表达式转化为组合相变材料的相变温度 分布表达式。在相同条件下，对符合最佳线性相变温度分布和满足均匀等速相变传 热的抛物线形相变温度的组合相变材料储热系统进行了数值模拟，探讨了两种相变 温度分布的组合相变材料储热系统的各自特点，分析了相交材料的比热容和组合相 变材料的数量对储热放热速率的影响。 根据上述理论研究结果，选择硬脂酸、切片石蜡和月桂酸三种相变材料，设计 加工了同时封装该三种相变材料的组合相交材料圆柱状储热单元和单一相变材料( 切 片石蜡) 封装的圆柱状储热单元。搭建了一套储热单元性能测试装置和数据采集系 统。主要测试了在不同的等温边界条件下，组合相变材料储热单元的储热性能。实 验结果表明，与采用石蜡住相变材料的传统单一相变材料储热单元相比，采用硬脂 酸、切片石蜡和月桂酸三种相变材料的组合相变材料储热单元的熔化时间减少了3 7 - 4 2 ；当考虑液相和固相显热储热时，储热时间减少17 2 5 ；最佳边界温度 与理论分析结果基本吻合；在最佳边界温度工况下，三种相变材料几乎同时结束熔 化过程，对应的储热时间最短。 在组合相交材料储热系统中，组合相变材料和传热流体的最佳匹配特性是急待 解决的问题。本文应用b a r c i s s 和b e e r 水平柱内封装相变材料接触熔化传热模型及 其分析解，建立了相变材料柱内封装储热单元的储热系统的熔化一固化循环相变物 理模型，用有限差分法进行了数值求解，探讨了在给定相交材料储热单元( 每一个 储热单元只封装一种相变材料) 的组合方案条件下的传热流体的匹配特性。结果表 i i 浙江大学博士学位论文壬御辱摘耍 明，无论是初始温度给定的熔化或固化单一相变过程，还是熔化一固化循环相变过 程，给定相变材料组合方案的储热系统都存在最佳传热流体进t ：l l - 况和系统相匹配。 与传统的单一相变材料的储热系统相比，最佳匹配工况对应的组合相变材料储热系 统的传热速率最快。 为了得到传热流体的流量变化对组合相变材料的不同组合方案的储热性能的影 响，进行了组合相变材料储热系统的储热和放热过程的实验研究。设计并搭建了用 于组合相变材料储热系统研究的柱状储热单元、储热床和一套完整的实验装置，分 别封装了月桂酸、石蜡、软脂酸和硬脂酸四种相变材料的柱状储热单元，进行了三 组储热系统性能的实验。通过近6 0 次实验测试，得到了相应的测试结果。对比分析 三组实验测试结果可得，对于给定的相变材料储热单元的组合方案，与传统单一相 变材料储热系统相比，在特定的流量范围内组合相变材料储热系统的储热放热时间 显著减少，储热放热速率明显增加。根据测试数据得到，与采用传统单一相变材料 ( 石蜡) 的储热系统相比，采用硬脂酸、石蜡和月桂酸三种相变材料的储热系统的 储热时间减少1 0 - - 4 0 ，放热时间减少1 0 - 1 5 。在实验过程中传热流体水侧处于层 流( r e = 4 0 - - 3 5 5 ) ，测试工况与目前封装型相变储热系统的运行工况基本一致。p “ 关键词：组合相变材料，储热单元，固液相变，相变储热，储热放热速率 i 浙江大学博士学位论文壬剑锋 t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n i i a ls t u d yo nl a t e n t h e a rs t o r a g ee m p l o y i n gm i 丁ii t i p l ep h a s e c l i a n g em 噙t e r i a l s w a n gj i a n f e n g ( i n s t i t u t eo f r e f r i g e r a t i o na n d c r y o g e n i ce n g i n e e r i n g , z h e j i a n gu n i v e r s i t y ) a b s t r a c t l a t e n th e a ts t o r a g eh a sb e e n w i d e l y u s e di n s p a c es o l a rp o w e rs y s t e m s t h e r m a lr e c o v e r ya n du t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g yo nt h ee a r t h i c es t o r a g ef o r b u i l d i n gc e n t r a la i 卜c o n d i t i o n i n gs y s t e m s ，a n dt h e r m a lc o n t r o lo fc o m p u t e rc h i p s a n dt e l e c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t i th a sb e e np r o v e dt ob ea ne f f e c t i v em e t h o d f o ru s i n gn e w e n e r g yr e s o u r c e sa n ds a v i n ge n e r g yb e c a u s eo fi t sh i g h - s t o r a g e d e n s i t y , s m a l lt e m p e r a t u r ev a r i a t i o nf r o ms t o r a g et oe x t r a c t i o np r o c e s s e s t h ek e y p o i n t s o fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fl a t e n th e a ts t o r a g ea r es e l e c t i o no r c o m p o u n d o fh i g he f f e c t i v ep h a s ec h a n g em a t e r i a l s ，a n de n h a n c e m e n to ft h eh e a t t r a n s f e r p e r f o r m a n c e o f s t o r a g es y s t e m s t o i n c r e a s et h e c h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n gr a t e so fs t o r a g es y s t e m s ，m a i n t a i nc o n s t a n tc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g r a t e sd u r i n gp h a s ec h a n g ep r o c e s s e s a n de n h a n c et h ec o n d u c t i v ea b i l i t ya n d l o n g - t e r ms t a b i l i t yo fp h a s ec h a n g e m a t e r i a l sa r et h ec o n f r o n t e dm a i np r o b l e m sa t p r e s e n t h e a ts t o r a g eu s i n gm u l t i p l ep h a s e c h a n g e m a t e r i a l si na s i n g l es t o r a g es y s t e m w a sf i r s t l y p u tf o r w a r db yf a r i d i n19 8 6 a c c o r d i n gt ot h ei d e a ，as e r i e so f e n c a p s u l a t e dm a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n tp h a s ec h a n g et e m p e r a t u r e sw e r ep l a c e d a l o n gt h ef l o wd i r e c t i o no fh e a tt r a n s f e rf l u i d i nt h es t o r a g es y s t e m w i t hs u c h a r r a n g e m e n t ，t h ee x e r g yl o s so ft h es y s t e mc o u l db er e d u c e d ，t h ec h a r g i n ga n d d i s c h a r g i n gr a t e sw e r ee x p e c t e d t oi n c r e a s eo b v i o u s l y , a n dm o r e i m p o r t a n t l y t h e c o n s t a n tc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gr a t e sw e r ep o s s i b l yo b t a i n e d d u r i n gt h ep a s t d e c a d e ，i n t e r e s ti n h e a t s t o r a g es y s t e m se m p l o y i n gm u l t i p l ep h a s ec h a n g e m a t e r i a l sh a sb e e n g r o w i n gg r a d u a l l y t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l r e s u l t sh a v e d e m o n s t r a t e dt h a t t h ec h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gr a t e sc a nb ei n c r e a s e db y 10 - 3 0 ；h o w e v e r , t h el o n g c h e r i s h e dc o n s t a n tc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gr a t e s c a nn o tb eo b t a i n e de i t h e rf r o mn u m e r i c a ls i m u l a t i o no rf r o me x p e r i m e n t a l o b s e r v a t i o n b a s e do nt h ed e t a i la n a l y s i so ft h ef a r i d si d e aa n dt h ee x i s t i n g r e s e a r c ha c h i e v e m e n t s ，i ti sf u n dt h a t ，t h em a i nr e a s o nc a u s i n gt h et r a n s i e n t v a r i a t i o no f c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g r a t e si st h a tt h et h e r m a lr e s i s t a n c ei n c r e a s e s c o n t i n u o u s l yd u r i n gt h es o l i d l i q u i dp h a s ec h a n g ep r o c e s so rs o l i d - s o l i dp h a s e t r a n s i t i o n p r o c e s s a s f o rt h a t t h i s p a p e rc r e a t i v e l yp u t f o r w a r dt h ei d e a l h o m o g e n o u sp h a s ec h a n g ep r o c e s s o u d n g t h ea s s u m e d p h a s ec h a n g ep r o c e s s ， t h e r m a lr e s i s t a n c er e m a i n sc o n s t a n t w i t ht h i sn e wi d e a ，t h ea u t h o rm a i n l y f o c u s e so nt h et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d y o fl a t e n th e a t s t o r a g e e m p l o y i n gm u l t i p l ep h a s ec h a n g em a t e r i a l s ，a n dt h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r e d e s c r i b e da sf o i l o w s b yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h er e q u i r e dc o n d i t i o n so fr e a l i z i n g o n e d i m e n s i o n a l h o m o g e n o u sp h a s ec h a n g ep r o c e s s a r eo b t a i n e d as e r i e so fe x p r e s s i o n s d e s c r i b i n gt h eo n e - d i m e n s i o n a lh o m o g e n o u sp h a s ec h a n g ep r o c e s s a r ed e d u c e d a n dt h ee f f e c to fp h a s ec h a n g em a t e r i a l sc o n d u c t i v i t yv a r i a t i o no np h a s ec h a n g e s p e e di sa n a l y z e d i ti ss u g g e s t e dt h a t ，b yr e a s o n a b l es e l e c t i o na n df i l l i n g w i t h m u l t i p l ep h a s ec h a n g e m a t e r i a l si nas i n g l ec a p s u l e ，t h ei d e a lh o m o g e n o u sp h a s e c h a n g ep r o c e s sc a nb ea p p r o x i m a t e l yc a r r i e do u t t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no n c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gp r o c e s s e s o ft h e f i a t - p l a t et y p ep h a s ec h a n g e m a t e r i a l s i sg i v e n ，a n dt h r e ep o l y a l c o h o l sa r es e l e c t e da st h ep h a s ec h a n g em a t e r i a l s t h e n u m e r i c a ir e s u l t ss h o wt h a t t h et h e o r e t i c a lm e t h o di sv e r y a t t r a c t i v ef o r a p p l i c a t i o n s t h ei d e a lh o m o g e n o u s p h a s ec h a n g ep r o c e s s i sc h a r a c t e r i z e db yt h ep a r a b o l i c p h a s ec h a n g et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，t h e c o n s t a n tt h e r m a lr e s i s t a n c ea n d p h a s ec h a n g er a t e ，a n dt h eh o m o g e n o u sd o u b l ep h a s ec o - e x i s t i n g s t a t ei n m a t e r i a l sa ta n ym o m e n t h o w e v e r , t h ec h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gt i m eo fp h a s e c h a n g e m a t e r i a li sn o ta l w a y si d e n t i c a l t h e r e f o r e ，t h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h e p h a s ec h a n g ep r o c e s s o fm a t e r i a l w i t hl i n e a r p h a s ec h a n g et e m p e r a t u r e v a b s t r a c t d i s t r i b u t i o n si sc a r r i e do u t t h em o v i n gp a t t e r n so fp h a s e - c h a n g ei n t e r f a c e so fa p h a s ec h a n g em a t e r i a lw i t ha o ft h ep o s s i b l el i n e a rp h a s ec h a n g et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n si s a n a l y z e di nd e t a i l f o r t u n a t e l y , t h ee x p r e s s i o no ft h eo p t i m u m l i n e a rp h a s ec h a n g et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nu n d e rt h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r e b o u n d a r yc o n d i t i o n s i so b t a i n e df r o mt h et h e o r e t i c a l d e d u c t i o n b y u s eo f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so nb o t ht h eh o m o g e n o u sp h a s ec h a n g ep r o c e s sa n dt h e p h a s ec h a n g ep r o c e s s o fl i n e a rp h a s ec h a n g et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n s t h e f e a t u r e so ft h o s et w op h a s ec h a n g e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n sa r ed i s c u s s e da n d a n a l y z e dc o m p a r a t i v e l y e f f e c t so f t h es p e c i f i cc a p a c i t ya n dt h en u m b e ro fp h a s e c h a n g em a t e r i a l so n t h ep h a s ec h a n g ep r o c e s sa r ei n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l ya s w e l l a c c o r d i n gt ot h eo b t a i n e dt h e o r e t i c a lr e s u l t so ft h eh o m o g e n o u sp h a s ec h a n g e p r o c e s s ，c y l i n d r i c a lc a p s u l e s f i l l e dw i t hs t e a r i ca c i d 。s l i c e dp a r a f f i na n dl a u r i ca c i d ， a n da n o t h e rc y l i n d r i c a lc a p s u l e sf i l l e dw i t ho n l ys l i c e dp a r a f f i na r ed e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d as e to f a p p a r a t u s f o r t e s t i n gc a p s u l e s p e r f o r m a n c ei sc o n s t r u c t e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ev e r ys a t i s f a c t o r y o nt h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r eb o u n d a r y c o n d i t i o n ，c o m p a r e dw i t ht h ec a p s u l ef i u e dw i t has i n g l ep a r a f f i n t h ec o m p l e t e m e l t i n g t i m eo ft h ec a p s u l ef i l l e dw i t ht h et h r e e p h a s ec h a n g em a t e r i a l s i s d e c r e a s e db y3 7 - 4 2 a n dt h ec h a r g i n gt i m ei sd e c r e a s e db y1 7 - 2 5 w h e n b o t hs o l i da n d l i q u i ds e n s i b l eh e a ts t o r a g e sa r et a k e ni n t oa c c o u n t m o r e o v e r , t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l to ft h eo p t i m u mb o u n d a r yt e m p e r a t u r ei si d e n t i c a lt ot h e t h e o r e t i c a lv a l u e t h et h r e ep h a s ec h a n g em a t e r i a l sf i n i s ht h em e l t i n gp r o c e s s a l m o s ta tt h es a m et i m e 。a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc h a r g i n gt i m ei sr e l a t i v e l ys h o r t w h e nt h eb o u n d a r yt e m p e r a t u r ei su n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n t h em a t c hb e t w e e nt h eh e a tt r a n s f e rf l u i da n dt h em u l t i p l ep h a s ec h a n g e m a t e r i a l sr e m a i n st ob es o l v e di nt h el a t e n th e a t s t o r a g es y s t e m ap h y s i c a lm o d e l i sp r o p o s e df o rt h ec y c l i c a lm e r i n g s o l i d e y i n gp h a s ec h a n g ep r o c e s so ft h el a t e n t h e a t s t o r a g es y s t e mu s i n gc y l i n d r i c a lc a p s u l e s t h e b a r e i s sa n db e e r s m a t h e m a t i c a lm o d e la n di t s a n a l y t i c a ls o l u t i o n s o fc l o s e - c o n t a c tm e l t i n gh e a t t r a n s f e ra l eu s e dt os i m u l a t et h et r a n s i e n tm e l t i n gp r o c e s so fp h a s ec h a n g e v l 浙江大学博士学位论文王剑锋 a b s t r a c t m a t e r i a l si nh o r i z o n t a lc y l i n d r i c a lc a p s u l e s t h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o di sa d o p t e d t om a k en u m e r i c a is o l u t i o n n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a t t h e r ee x i s t sa no p t i m u m m a t c hb e t w e e nt h em u l t i p l ep h a s ec h a n g em a t e r i a l sa n dt h eh e a tt r a n s f e rf l u i d e i t h e rf o rt h es i n g l em e l t i n go rs o l i d i f y i n gp h a s ec h a n g ep r o c e s s e so rf o rt h e c y c l i c a lm e l t i n g - s o l i d i f y i n gp h a s ec h a n g ep r o c e s s e s i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ee f f e c to ft h ef l o wr a t eo fh e a tt r a n s f e rf l u i do nt h e o v e r a l lp e r f o r m a n c eo fh e a ts t o r a g es y s t e m sw i t hd i f f e r e n ta r r a n g e m e n to fp h a s e c h a n g e m a t e r i a l c a p s u l e s ，a n o t h e re x p e r i m e n t a la p p a r a t u s i s c o n s t r u c t e d c y l i n d r i c a lc a p s u l e s ，m a d eo fc o p p e rt u b e a r e f i l l e dw i t ho n l yo n e p h a s ec h a n g e m a t er i a li nas i n g l ec a p s u l e f o u rp h a s ec h a n g em a t e r i a l sa r es e l e c t e df o rt h e e x p e r i m e n t i n c l u d i n gs t e a r i ca c i d ，p a l m i t i ca c i d ，l a u r i ca c i da n ds l i c e dp a r a f f i n e x p e r i m e n ti sp r e p a r e d f o rt h r e et y p e so ft h ea r r a n g e m e n to fp h a s ec h a n g e m a t e r i a lc a p s u l e s t o t a l l y , a b o u t6 0t i m e so ft e s t sa r ec o n d u c t e d b yc o m p a r i n g t h er e s u l t so ft h et h r e eg r o u p so fe x p e r i m e n t 。i ti sc o n c l u d e dt h a t ，c o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a ls i n g l ep h a s ec h a n g em a t e r i a lh e a ts t o r a g es y s t e m ，t h ec h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n gr a t e sc a n b e o b v i o u s l yi n c r e a s e d w i t h i nt h es p e c i f i e dr a n g eo ft h e f l u i df l o wr a t e a c c o r d i n gt ot h et e s td a t a t h ec h a r g i n gt i m ei sr e d u c e db y10 一 4 0 a n dt h ed i s c h a r g i n gt i m ei sr e d u c e db y1 0 1 5 w h e nt h ee n c a p s u l a t e d s t e a r i ca c i d ，s l i c e dp a r a f f i na n dl a u r i ca c i da r eu s e da n da r r a n g e di nt h es t o r a g e b e d 1 na d d i t i o n w a t e ra st h eh e a tt r a n s f e rf l u i d i su n d e rt h ei a m i n a rf l o w ( r e = 4 0 3 5 5 ) d u r i n g t h ee x p e r i m e n tw h i c hi si d e n t i c a lt ot h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s o fe x i s t i n gh e a ts t o r a g es y s t e r n s k e y w o r d s ：m u l t i p l ep h a s ec h a n g em a t e r i a l s h e a ts t o r a g ec a p s u l e s o l i d - l i q u i d p h a s ec h a n g e 。l a t e n th e a ts t o r a g e ，c h a r g i n g d i s c h a r g i n gr a t e v 浙江大学博士学位论文王剑锋第一章 第一章相交储热的研究进展及本文的主要研究内容 本章主要综述了相变储热的国内外研究进展以及本文的研究目的和主要研究内 容。综述内容包括四个方面：( 1 ) 相变材料的种类和性能；( 2 ) 相变储热系统的热 力学优化和数值模拟；( 3 ) 相变储热系统的应用；( 4 ) 组合相变材料储热系统。 1 0 绪论 相变储热在日常生活中的应用可以追溯到远古时代。自古以来，人们就利用 天然冰冷藏食品和改善盛夏生活环境。本世纪3 0 年代以来，特别是受7 0 年代能源 危机的影响，传统能源已无法满足世界工业发展的需求，在高度重视节能的同时， 世界工业大国开始重视核能、太阳能、风能、地热能和工业余热废热等的研究开发 和利用。在现有的能源结构中，热能是最重要的能源之一。但是，大多数能源，如 太阳能、风能、地热能和工业余热废热等，都存在间断性和不稳定性的特点，所以 研究高效而且经济的储热技术就占有特别重要的地位。为了提高热能的生产和利用 效率，利用储热技术来协调热能供求在时间和强度上的不匹配显得十分迫切和必 要。 储热的方式有许多，总体上可以分为显热储热、潜热储热和化学能转化储热 三大类。化学能转化储热具有储热密度大等独特优点，但是系统复杂，目前仅在太 阳能利用研究领域受到重视，还没有得到广泛的工业应用。显热储热是目前较成熟 的储热技术，但是其储热密度低，储热装置体积庞大。潜热储热不仅储热密度大、 储热装置结构紧凑，而且储热释热过程近似等温，易于运行控制和管理。 潜热储热主要利用相变材料相变过程的热效应来实现热能的贮存和释放利 用，又称为相变储热。由于固一汽和液一汽相变过程体积变化较大，所以固一液相变 和固一固相变储热的研究和利用最为广泛，已成为有效利用新能源和节能的重要途 径。本世纪7 0 年代以来，相变储热的基础理论研究和应用技术迅速崛起并得到不 断发展。材料科学、太阳能、航天技术、工程热物理、建筑物空调采暖通风及工业 废热利用等领域的相互渗透及迅猛发展为相变储热研究和应用仓造了有利条件。提 浙江大学博士学位论文王埘锋第一章 高相变储热系统的相变速率、热效率、储热密度和长期稳定性是目前面临的重要研 究课题。研究相变储热的核心是研究相变材料的物性和研究相交材料的相变传热过 程。 本章主要综述相变储热的国内外研究进展以及本文的主要研究内容。 选择合适的相变材料是设计开发高效相变储热系统的必要保障。作为相变储 热系统的相交材料，应满足以下性能要求： ( 1 ) 特定的相变温度； ( 2 ) 较大的相变潜热； ( 3 ) 较大的热导率： ( 4 ) 在相变过程中不发生熔析现象和化学成分变化； ( 5 ) 能在恒定的温度( 范围) 下循环相变，过冷度小，性能长期稳定： ( 6 ) 对环境和人畜无害； ( 7 ) 对容器材料无腐蚀性； ( 8 ) 不容易燃烧； ( 9 ) 较快的结晶速度和晶体生长速度； ( 1 0 ) 蒸汽压低； ( 1 1 ) 体积膨胀率小； ( 1 2 ) 密度大； ( 1 3 ) 原料来源丰富、价格便宜。 基于以上原则，可以结合具体应用条件选择或者自行配制合适的相变材料。 但是，完全满足以上条件的理想相变材料是很难找到的，所以研究合成新型的相变 材料和探讨提高现有相交材料的性能的方法具有重要意义。 1 相变材料的种类 相变材料主要包括无机相变材料、有机相变材料和混合相交材料三类。无机 浙江大学博士学位论文王剑锋 第一章 相变材料包括结晶水合盐、熔融盐、金属合金和其它无机物。有机类相变材料包括 石蜡、酯酸和其它有机物。混合相变材料主要是有机和无机共熔相变材料的混合物。 结晶水合盐包括熔点从几度至一百多度的7 0 多种可供选择的相变材料，如 n a s q i o h 。0 ，c a c l ：6 h n o 等。该类相变材料通常是中低温相变材料的最重要的一类， 优点是价格便宜、体积储热密度大、融解热大、热导率比有机相变材料大、一般呈 中性。缺点是过冷度大和易析出分离。降低过冷度的办法是添加微粒结构与盐类结 晶物相类似的成核剂和搅拌。解决析出的办法是添加增稠剂、加晶体结构改变剂、 搅拌。 石蜡由直烷烃混合而成，分子式为c 。h 。随着链的增加，石蜡的熔点和熔解 热增加。常用相变材料( n = 1 2 3 6 ) 的熔点为- 1 2 到7 5 ，熔解热为1 5 0 k j k g 到 2 5 0 k j k g 。优点是熔解热大、一般不过冷不析出、性能稳定、无腐蚀性且在有机相 变材料中价格最低。缺点是热导率和密度小。酯酸类也是常用的有机相变材料，分 子式为c h 。0 5 ，其性能特点与石蜡相似。 囿一固相变材料因不生成液态、体积变化小、过冷度小、无腐蚀、热效率高和 寿命长等优点受到重视，主要包括交联高密乙烯、层状钙钛矿和多元醇，通过晶格 变化而放热吸热。多元醇之间混合可形成“合金”，得到相变温度较宽的混合固一固 相变材料。但是，多元醇在固一固相变温度以上时转变为塑性晶体，易挥发损失。 有机无机共熔混合物是种类和应用范围最广的一类相变材料，其相变温度从一 1 4 0 6 7 0 c 可供选择的相变材料达四千三百余种。 2 增强相变材料导热能力 增强相变材料导热能力的目的是为了提高储热系统的相变传热速率。为了提 高石蜡和酯酸类等相变材料的导热能力，通常采用在其中添加金属粉末、石墨粉、 金属网以及在封装壁加肋片等方法增强导热。国内外学者在这方面开展了广泛的理 论和实验研究，其中具有代表性的文献报道如下。 a y e r s 和f l