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摘要：相变蓄热方式较传统蓄热逐渐显示出其在能源利用领域的重要优势。然而相变蓄能技术在某些应用方面存在一定的局限性。基于现有研究报道，从两方面对相变材料及强化相变传热的措施进行了总结，并对相变蓄能进行了展望。
关键词：相变；蓄热；泡沫金属；微胶囊；强化
近年来，随着光伏发电以及光热发电项目的开展，相变储能技术越来越受到众多学者的青睐。能量的利用不仅体现在数量上，更体现在质量上。由于能源在时空方面存在着间歇性、波动性等特点，相变蓄能技术为能源的高效利用提供了可能。
我国北方一些地区存在弃风、弃光现象，这给能源的有效利用带来了严重浪费。利用电网的峰谷电价，充分利用夜间价格便宜的谷电，通过电制热技术将清洁的电能转化为热能，通过相变储能技术将热能得以储存，非谷电时段将储存的热能进行释放。这样既可以降低供热成本，同时对电网也起到调峰的作用。
目前蓄热的方式主要有三种：热化学反应蓄热、显热蓄热、相变蓄热。其中，热化学反应蓄热受反应介质种类、反应温度等因素的影响，在热量储存上具有一定的局限性。显热蓄热是常见的一种蓄热方式，通过增加介质内能和热力学能的方法实现热量的储存，但其蓄热密度较小，蓄热设备体积较为庞大，实际应用中需要较大的占地面积。相变蓄热因具有较为恒定的温度以及较大的蓄热密度，近年来受到了国内外学者的广泛关注。
气体作为一种可压缩流体，在相变过程中体积变化较大。目前相变蓄热主要以液、固两相为主。当相变材料的温度达到相变温度时，就会发生物态的转变，从而释放或吸收大量的热量。
1相变蓄热材料的分类
依据材料的物化性质，相变材料主要有三种：无机相变材料、有机相变材料以及复合相变材料。其中，无机相变材料主要有熔融盐、结晶水盐、合金、层状钙钛矿等；有机相变材料主要为石蜡、脂肪酸、多元醇、高密度聚乙烯等其他有机物；复合相变材料综合了无机材料与有机材料的优点。
无机相变材料中结晶水合盐具有较低的相变温度，属于低温相变材料。其价格低廉，并且具有较高的热导率，在蓄热领域中曾发挥了重要作用。但是结晶水合盐在相变过程中，有两种相变形式。当温度达到其相变点时，结晶水有可能完全脱除，也可能部分脱除。
石蜡是一种良好的蓄热材料，工业石蜡主要是一些长度不等的链状烷烃混合物。由于其来源较广，热物理性质相对稳定而且腐蚀性相对较低，近些年在储能领域应用尤为广泛。
混合熔融盐的最大优点是可以通过配比来调节相变温度以满足不同工况的需求，而且腐蚀性比较微弱。现有研究证实盐类的腐蚀主要与氯化物的含量有关，氯化物的含量越多，腐蚀程度越严重。选择合适的混盐物质及配比是一项长期的工作。
虽然相变蓄热技术在蓄热密度方面较传统的显热蓄热有一定的优势，但相变材料的导热系数通常相对较低，一般不超过1W/m•K。此外，一些熔融盐类又具有一定的腐蚀性。因此，如何进一步强化材料的导热同时防止换热器腐蚀一直是该领域研究的前沿方向。综合现有的文献研究，目前强化相变蓄热的方式主要有填充超高导热材料、完善比表面积以及微胶囊封装。
2强化相变传热的措施
2.1填充超高导热材料
20世纪90年代中期，Choi教授首次提出纳米流体的概念，并将这一新技术应用于实践。郭亚丽等[1]利用格子Boltzmann方法模拟了矩形腔室内纳米流体与常规纯流体的传热特性，结果显示AL2O3-H2O纳米流体的平均Nu数要大于传统流体的平均Nu数。进一步表明纳米粒子的存在对增强换热所产生的良好效果。康亚盟等[2]在纳米技术对改善相变材料传热性能方面做了大量研究，实验发现纳米铜-石蜡复合相变材料在熔化过程中所用时间最短，其热导率和热扩散系数分别提高了7.9%、20.6%，进一步表明纳米铜颗粒在石蜡传热特性中具有显著的强化作用。
作为碳的同素异形体，石墨优良的耐高温性以及导电、导热性引起了学者们足够的重视。作为全新材料，导热石墨片导热系数可高达1000-1500W/m•K。无论是纳米颗粒还是高导热石墨，都为相变材料蓄热性能的优化提供了有利条件。
2.2改善材料及换热器的比表面积
泡沫金属不仅可以显著增强材料的导热性能，同时也将反应时间大幅降低。泡沫金属作为一种多气孔材料，一方面材料自身拥有良好的导热性能，另一方面材料特殊的结构铸造了较大的比表面积。通常采用真空浸润法将相变材料填充到泡沫金属形成复合材料。一般以注入比作为复合材料填充程度的衡量指标，即相变材料填充体积与泡沫金属孔隙体积的比值。
复合材料的蓄热性能主要与材料填充后的效果有关，如果材料内部没有空穴，则填充效果良好。这关键取决于泡沫金属的空隙率以及相变材料与金属基的兼容性。
作为储能的关键装备，相变蓄能装置如何更加高效地发挥其储能效果成为相变领域研究的又一亮点。优良的蓄能装置应该以较小的体积实现较高的热交换率以及较大的储热容量。然而，现有的蓄能装置由于所用PCM导热系数偏低，使得其在结构以及体积上还不够紧凑。近几年的研究表明当通道截面减小到一定程度时，就会出现尺寸效应，常规通道内一些起主导作用的力在介观尺度下将变得非常微弱。完全可以在改进材料的基础上，开发更加紧凑的微小型相变蓄热装置，以便其在蓄能领域有更好的应用。
2.3微胶囊封装技术
微胶囊封装技术是以PCM为核心，聚合物为壳体，将相变材料密封在聚合物中，将形成的类似于胶囊的稳定载体分布在热流体中。因此壳材的选择尤为重要，直接关系到囊芯的相变性能及结构的稳定性。一般作为聚合物的封装材料通常有聚苯乙烯、聚乙烯等有机高分子材料。
微胶囊封装的优势在于可以有效阻止材料在相变过程中发生的相分离等一系列问题，同时密闭的空间也保证了材料不会发生泄漏。王领华等[3]就以十八烷为相变材料，经过相变循环后，相变材料完全没有泄露，相变蓄能装置性能良好，进而保证了大功率伺服陀机控制器的散热需求，进一步展示了微胶囊技术在相变领域的独特魅力。
相变储能微胶囊通常在几十微米，文献报道的微胶囊封装技术目前主要有物理和化学两种方法。不同的制备途径使其热性能具有一定的差异，但都需要注意核壳比例均不能太大，否则会严重影响胶囊的相变性能以及表面的粗糙度，这主要受到聚合效应以及乳化效果的制约。
3.总结
（1）相变蓄热较传统蓄热方式有着独特的优势，为进一步增强其传热特性，可在相变材料基体中添加高导热颗粒。此外，微胶囊不仅可以有效解决相变材料的泄露问题，同时也可以控制其在相变过程中的体积变化，开展微胶囊封装技术具有良好的发展前景。
（2）利用泡沫金属骨架并结合微尺度效应的蓄能换热器可以有效强化相变传热，开展高效蓄能换热器的研究具有广阔的应用价值。
参考文献
[1]郭亚丽, 徐鹤函, 沈胜强, 等. 利用格子Boltzmann方法模拟矩形腔内纳米流体Raleigh-Benard对流[J]. 物理学报, 2013, 62（14）: 144704（1）-144704（6）.
[2]康亚盟, 刁彦华, 赵耀华, 等. 纳米复合相变蓄热材料的制备与特性[J]. 化工学报, 2016, 67（SI）: 372-378.
[3]王领华, 刘欣, 王海英, 等. 高效相变蓄热装置结构设计及试验研究[J]. 航天器环境工程, 2017,34（6）:667-671.
论文作者:孙振国,孔祥渠
论文发表刊物:《基层建设》2018年第26期
论文发表时间:2018/10/1
标签：蓄热论文; 材料论文; 流体论文; 纳米论文; 技术论文; 性能论文; 石蜡论文; 《基层建设》2018年第26期论文;