新型复合相变材料储能优化设计及传热性能研究

张忻怡

摘要：相变储能是一种新型的能量转换技术,在能源利用率和环保节能方面具有重要意义。近年来,随着科学技术的发展、社会经济水平提高以及环境保护要求等因素推动了对传统复合型相变材料中所存在缺陷进行改善。目前国内外关于该领域研究主要集中于其化学性质、组成及机理上与其他类型复合相变材料相比仍有较大差距:如低温高聚物(Pt)在实际应用中容易发生团聚;如在循环使用过程中容易造成环境污染,而传统的相变材料由于其低温性能差、耐腐蚀性低,已不能满足大规模工业生产和环境保护需求。

关键词：复合相变材料；储能优化设计；传热性能

在热工转换装置中,相变储能材料具有可逆性、可控性和高效率等特性。随着科学技术的进步与发展,新型复合型相变体储存能量方式越来越多。利用固相反应原理实现储能是目前研究领域一个热点问题:如何将传统正变换技术运用于永磁体或其他形式的换热器当中去已经成为解决这一难题最有效可行方案之一;另外在实际应用中还需要考虑温度对其造成影响以及环境条件等因素来选择合适的存储材料,例如在相变材料中添加一些储能添加剂以改善它的热稳定性,降低环境温度对复合型相变体储存能量造成影响。

一、相变材料性能的研究

（一）相变材料热物理性能

为了得到合适的相变温度及相变潜热等性能，通常将两种或两种以上相变物质按一定的比例配合成多组分的混合相变物质，利用相变物质分子之间的相互作用调节相变温度和相变潜热。樊耀峰等详述了多元醇及其二元体的相变温度、相变潜热与质量百分比的关系。Belenzalba等通过实验得出了部分不同质量比的相变材料及与其对应的相变温度和相变潜热心。蔡利海用石蜡的相变温度、相变潜热与碳链长度成正比的关系，通过改变复合相变材料中两种有机物的质量比，来调节相材料的相变温度范围和相变潜热。

（二）相变储热材料的复合制备

近年来为了克服相变过程中液相的泄漏问题，利用微胶囊技术，将特定相变温度范围的相变物质用有机化合物或高分子化合物封装成能量微球相变过程中，胶囊内的相变物质发生固液相变，外层始终保持为固态，因此在宏观上一直为固态颗粒，其主要优点表现在如下方面：（１）减少相变材料与外界环境发生反应的机会；（２）增加传热面积；（３）避免了相变过程中相变材料的体积频繁发生变化。

王立新等采用原位聚合法，用三聚氰胺甲醛树脂包覆相变物质Ａ，制取相变储热微胶囊。P.schossig等利用微胶囊颗粒小的特点，将微胶囊相变材料与常规建筑材料混合，通过改变建筑材料的热性能来改善建筑内部的热舒适性”。多孔基相变材料利用多孔介质内部孔隙小的特点，将相变介质分散成很小的颗粒，借助毛细管效应提高相变物质在多孔介质中储藏的可靠性，使其在发生固液相变时不发生液体泄露，同时利用多孔介质导热率高的特点提高换热效率。HadjieveＭ等将无机物相变蓄热材料吸附在多孔结构的水泥内，构成水合无机盐／水泥复合相变蓄热材料，用于建筑节能，成功解决了液相泄漏问题。武克忠等采用“熔融法”将新戊二醇在熔融条件下嵌入到蒙脱石层间，制备出了新戊二醇／蒙脱石复合相变储热材料。

二、传热强化与数值模拟

（一）强化导热途径

提高传热系数一般通过在相变材料当中添加导热系数较大的物质，如不锈钢片、铜片、膨胀石墨等。S.M.Hasnain提到了使用金属填充物、金属网格、肋管和铝槽等来增强石蜡的导热性能。张正国等将多孔膨胀石墨浸入液态石蜡，制得相变材料，所制得的相变材料大大减少了的储能和放能时间，而且使相变材料的储热能力没有降低。肖敏等以石蜡为相变材料，以SBS为支撑材料，注入膨胀石墨，成功地解决了相变材料导热率低和泄漏问题，放热速度提高到纯石蜡的1.5倍，且制得的形状稳定相变材料的潜热达到纯石蜡的80%。近年来出现了利用碳化纤维体积小以及将其做成刷子的形状以达到强化传热效果，该方法的特点是容易精确控制，研究表明碳化纤维方向与流体流向一致时效果最佳。

（二）相变问题数值模拟

相变问题的解法一般都采用数值方法，可分为两大类：

（１）一类是以温度为变量，分别在固、液两相和固液界面上建立能量方程，用有限差分法或有限元法求解。由于固液界面能量方程中包含垂直于界面的温度梯度，很难获得对空间步长具有二阶精度的离散差分方程。

（２）一类则以焓为变量，建立起满足整个求解域的能量方程。由于焓包含了潜热，相变的影响自动地包含在焓形式的能量方程中，从而不需要考虑固液移动界面。

三、变储能材料的应用

相变储能材料在许多领域具有应用价值，包括太阳能利用、电力调峰、废热利用、跨季节储热和储冷、食物保鲜、建筑隔热保温、电子器件热保护、纺织服装、农业等。

（一）在太阳能方面的应用

相变材料作为一种新型的储能装置,在太阳能方面具有巨大优势。目前,我国已经开发出多种应用形式。如:气态、液态或固态储氢等。由于其固有的能量密度低和环境因素影响而成为了人们研究中最广泛使用且效果最好、前景最广及适用范围最大之一类型能源(天然气);还有些是通过相变材料作为基体来使太阳电池进行组能,但这种方法对太阳能要求较高,所以目前还没有得到普遍应用如:气态储氢。相变材料在太阳能应用方面主要是通过对其进行固化处理,使其具有可储氢、自热或低密度的特点。目前使用最多的是碳纳米管(TiO2)和多晶硅来制备复合相变体,其中包括金属SnO3掺杂物;还有就是利用高比表面积的SiCCl2溶液将它们与一些化学性质稳定剂混合成一种新型材料而得到一系列相变产物如HBP等。

（二）在建筑方面的应用

新型复合相变材料在建筑方面的应用主要是通过提高储能装置和热交换设备的工作效率来实现。例如,将能量守恒定律应用于复合相变材料中,可以使其具有较高比表面积、较大比容量以及较大功率密度等优点;又如当储能装置与热量传递介质接触时发生温升或者降温和升压过程时也会产生相应损失或热能散失现象。因此通过对新型储能技术进行优化设计还可提高能源利用率和减少建筑垃圾数量并促进经济发展。储能技术的应用还可使复合相变材料在建筑上实现温度控制。例如,将大块金属或合金作为阳极体,通过热处理和化学加工等方法来制造出一系列具有不同导电性、比表面积以及较高机械强度性能的铝制碳纤维。这样就可以改变铝合金中氢化物分布不均匀导致体积收缩率与密度失衡之间矛盾;同时还可避免由高温引起材料强度下降而造成的能量损失。另外,新型储能材料的应用,还可使复合相变材料具有较高比容量,降低热膨胀系数,改善其温度稳定性。

（三）纺织服装方面的应用

相变材料在纺织服装方面的应用主要体现在以下几个方面:(1)复合相变储能系统。通过改变传统的能量转化方式,如利用热流密度和剪切形系数来控制熔融金属、非晶合金或碳化物等粒子生长。该方法可以有效地提高能量转换效率。这种新型系统可用于不同类型和尺寸大小相同时间长或长度不小于3纳米棒/样条的超薄(厚度)体中;(2)微纳技术在纺织服装方面应用,如在纺织纤维上沉积各种相变材料,使其形成微纳过滤器,从而提高了熔融金属或非晶合金的传热系数;(3)纳米复合相变储能系统。通过改变不同组分和温度来获得高导电率、低表面活性及较好的分散稳定性。该方法可用于制备具有特殊性能要求且尺寸小而不需要能量供给装置使用等微小目标性材料时所用到微纳膨胀体,如超薄纤维及其片剂、纳米碳球及碳化硅粉;(4)纳米碳球的储能系统。它可以为相变材料提供足够大能量,以提高其热传导系数。该方法可用于制备具有特殊性能要求或在室温下不需要外置装置就能够直接使用微纳膨胀体。

结语：

随着复合相变储能材料在工业与民用建筑物采暖与空调的节能领域的应用，在热传递理论与模拟方面，对移动边界问题，和在仅考虑导热或仅考虑对流情况下进行的理论计算，以及在不同的热交换几何体中进行的数学模拟研究，都对其工程应用起到关键性作用。因此采用合理的相变储热物理模型，分析相变材料熔化过程自然对流的影响规律及相变材料凝固特性的焓式有限元法分析，在不同相变过程中，对相变材料的固／液界面移动规律的分析（考虑三元复合相变的过冷现象和相分离问题）将是今后研究的主要方向。

参考文献：

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[2] 田国华. 相变储能建筑墙体传热特性及能耗影响研究[D]. 江苏:中国矿业大学,2018.

[3] 王蓬,王月详,张伟伟. 复合相变储能材料的研究[J]. 科技资讯,2014,12(21):95-96.