新型相变贮热材料

在太阳能热利用、工业余热回收、采暖及空调领域中，为了调整热能供应与人们需求之间的不一致，热能的贮存是极为关键的一环。目前普遍使用的贮热方式有两大类：显热式贮热和潜热式贮热。所谓显热式贮热，就是通过加热介质，使其温度升高而贮热，它也叫“热容式贮热”。潜热式贮热是利用贮热介质被加热到相变温度时吸收大量相变热而贮热，它也叫“相变式”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)，都会吸收相变热；而进行逆过程时则释放相变热。这是潜热式贮热所依据的基本原理，在没有专门说明时，“相变式贮热”一般是指固液相变贮热。与显热式贮热相比，潜热式贮热有两大明显优点：贮热密度大，即可以用很小的体积贮存很多的热能；吸热过程和放热过程几乎是在恒温条件下进行，有利于与热源和负载相配合。

　　传统的相变贮热材料主要有用于常、中温贮热的部分水合盐及某些有机物(石蜡、脂肪酸等)和用于高温贮热的熔盐。水合盐因易于获取、成本较低且贮热密度大而一度被认为是较理想的相变贮热介质，但这种材料有两大缺点：过冷和析晶。前者指相变材料在经历一定次数的相变过程后不能在预定温度下发生相变；后者则指相变材料出现分层现象，导致相变潜热降低。另外，尽管水合盐材料本身费用较低，但为了防止其中水分减少引起相变潜热降低，所用容器必须密封，而且许多水合盐对容器有腐蚀性，这些就大大增加了投资。如在加拿大，CaCl2·6H2O每吨价格只有90美元，而以其作为相变材料制成的贮能模块每吨零售价达3000美元。有机相变材料本身成本虽然较水合盐为高，但它们无过冷现象，比较稳定，对容器要求较低，故贮热器总成本并不高。但有机相变材料的导热系数偏低，为了达到较高的换热效率需要对换热器进行特殊设计。熔盐的相变温度一般在200℃以上，主要用于高温贮热；由于熔盐对某些容器有腐蚀性，故对容器材料的选择有比较严格的要求。
　　上面所述传统相变材料在使用过程中都需要特定容器，以防止相变材料泄漏；它们不能与传热介质直接接触。以上因素不仅增加了热阻，降低了换热效率，而且使成本大大提高，阻碍了相变贮热系统的推广使用。

　　为了获得低成本的相变贮热系统，所选用相变贮热材料成本应该较低，且对容器要求不高；而为了获得较高的换热效率，则希望传热介质能够与相变贮热材料直接接触。由此，一类新型相变材料——定形相变贮热材料引起了人们的极大兴趣。这类相变材料在相变前后均能维持原来的形状(固态)，它对容器要求很低，这就大大降低了相变贮热系统的成本，而且某些性能优异的定形相变材料可以与传热介质直接接触，使换热效率得到很大提高。