储热相变材料及其应用的简介外文翻译资料

 2022-09-24 11:06:19

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储热相变材料及其应用的简介

Atul Sharma a,*, V.V. Tyagi b, C.R. Chen a, D. Buddhi b

a Department of Mechanical Engineering, Kun Shan University, 949, Da-Wan Road,Yung-Kung,City, Tainan Hsien 710, Taiwan, ROC

b Thermal Energy Storage Laboratory, School of Energy amp; Environmental Studies, Khandwa Road Campus,

Devi Ahilya University, Indore 452017, India

Received 17 August 2007; accepted 9 October 2007

摘要

使用相变材料(PCMs)的潜热储存系统是一种非常有效的储热的方法,而且有储能密度大,相变温度恒定的优点。PCMs已经广泛地应用在拥有潜热储能系统的热泵,太阳热工程,航天器热控当中。近些年来,在建筑物中应用相变材料来储热和制冷一直被研究,大量的相变材料有很宽的融化和凝固的温度范围,这使得它在很多应用上很有吸引力,这篇文章总结了应用在各个方面的基于相变材料的储热系统的研究和分析。

目 录

1. 前言介绍

1.1 能源储存方法

1.1.1 机械能储存

1.1.2 电能储存

1.1.3 热能储存

1.1.4 热化学能储存

2.潜热储存材料

2.1 热特性

2.2 物理特性

2.3 动力学性质

2.4 化学性质

2.5 国家发展状况

3. 相变材料的分类

3.1 有机相变材料

3.1.1 正构烷烃

3.1.2 非正构烷烃

3.2 无机相变材料

3.2.1 水合盐

3.2.2 金属

3.3 低共熔体

4. 融化潜热及融化温度的测量技术

5.储热系统简介

5.1 太阳能水域加热系统

5.2 太阳能空气加热系统

5.3 太阳能灶

5.4 太阳能温室

5.5 建筑物

5.5.1 相变太阳能吸热壁

5.5.2 相变隔板

5.5.3 相变百叶窗

5.5.4 地板供暖系统

5.5.5 天花板

5.6 非峰值的电能储存

    1. 设计储热的热交换器

6.潜热储存系统和材料中的热交换

6.1 斯提分的问题

6.2 解决斯提分问题的不同方法

6.2.1 潜热储存系统的数值模拟

6.2.2 焓法方程

6.2.3 数值解释

7.结论

参考文献

  1. 介绍

不断增长的温室气体的排放以及燃料价格的增长极大地促使了人们要更加努力地去更加有效地去利用各种各样的可再生能源。在世界的很多地方,直接运用太阳能辐射被视为最有前景的解决能源的方法。全世界的科学家都在寻找新的和可再生能源,其中一个是去开发能源储存装置,这和发展新能源是同等的重要。能量以合适的方式储存,并且能方便转换为另一种能量的形式,是对技术人员当前的挑战。能量储存不仅减少供给与需求之间的比例失当,同时还提高性能和能量系统的稳定性,这在保护能源方面发挥了很大作用[1,2]。这节省了高值燃料,还通过减少能量损耗来使得系统更加划算。举个例子,电量储存通过负债平衡来提高发电机的性能,同时高的效率也能使得能源节约和低的发电成本。预期的的储热技术需要应用相变材料,不幸运的是,在大规模地使用相变储能及时之前,有许多的问题需要在产品的研究和开发阶段去解决的。一些能量储存的方法将在下面一一介绍。

1.1 能量储存方法

能够储存的不同的能量形式包括机械能,电能和热能[3].

1.1.1 机械能储存

机械能储存系统包括引力能储存和水力发电储存(PHPS),压缩空气能储存(CAES)和飞轮,水力发电储能和压缩空气储能技术可以大范围地运用在能源储存上面,同时飞轮更适合用于中间存储器。当便宜的非峰值用电可利用的时候,储能得到实现,举个例子,在晚上或是周末。由于工厂供应不足的,又需要能量的时候,储存的能量将被使用。

1.1.2 电能储存

通过电池来储存电能是一个选择,通过把电池连接到电源上面来充电,又通过储存的化学能转化为电能来释放电能。电池的潜在应用是利用了非峰值电,负载平衡,以及对风轮机或是光伏发电产生的电能的储存。最常见的电池是铅电池和Ni-Cd电池。

1.1.3 热能储存

热能储存可以被当做原料内部的变量,就像热焓,潜热以及热化学能或是这些属性的组合。一个关于太阳热能除此你的图例在图1展示。

图1

1.1.3.1 热焓储存

在热焓储存当中,热能储存是通过提高固体或是液体的温度来完成的,热焓储存系统通过充放电的过程中的温度变化来使用储存的热量,储热的总量取决于特定的热介质,温度变化范围以及储热材料的总量。

一些被选取固体材料的热焓储存能力在表一显示了,水看起来是最好的热焓储存材料,因为它廉价而且有高的比热,然而在100度以上,油,熔融盐和液态金属等等都是被使用的。对于空气加热的应用,岩床类型材料被使用。

1.1.3.2 潜热储存

潜热储存是基于储能材料在经历相变过程中从固体到液体或是从与液体到气体或是反过来来吸收或是释放能量的,相变材料的潜热储存能力用下面的公式衡量。

(3)

(4)

表一

1.1.4 热化学能储存

热化学能系统基于在完全可逆的化学反应中中的分子键的重组和爆炸中能量的吸收和释放。在这种情况下,热能储存取决于储能材料的总量,反应的吸热量以及转变的程度。

(5)

在以上的热能储存的技术中,由于潜热储存具有高的储能密度以及与相变材料的相变温度相一致的恒定储热温度,所有特别具有吸引力。相变可以是以下几种形式,固固相变,固液相变,固气相变,气液相变以及相反的方向相变。

在固固转变中,能量储存当原料转移从一个晶胞到另一个晶胞,这些转变通常有小的潜热相变和小的体积改变相对于固液相变。固固相变材料有不需要太紧实的容器和更灵活的设计性的优点。大多数有希望的材料都是固体有机材料例如季戊四醇(熔点为188摄氏度,融化潜热为323KJ/Kg),五甘氨酸(熔点81摄氏度,融化潜热为216KJ/Kg),(熔点为578摄氏度,融化潜热为214KJ/Kg),和(熔点为196摄氏度,潜热为135KJ/Kg)。使用这些材料的太阳能吸热壁比那些没有使用这些材料的太阳能吸热壁有更好的表现。

固气和气液相变在相变过程中有更高的相变潜热,但是在相变过程中有较大体积变化,会产生许多关于容器的问题,所以在热能储存系统中排除了这些相变的潜在使用。太大的体积变化使得系统更加复杂和不切实际。固液相变比气液相变有更小的相变潜热,然而这些转变包括了一小部分(最大的10%或者更少)的体积变化。固液相变提供了在热能储存系统中经济上使用的吸引力。相变材料不能作为热量转移介质使用。一个单独的热量转移介质必须装备热交换器从源头到相变材料和从相变材料到装载来转移能量。这个被使用的热交换器必须是特别设计的。参考一些低的热扩散系数的相变材料。

这些相变材料在融化过程中的体积变化迫使容器特殊的体积设计来吻合相变材料。它应该能吸收这些体积变化同时应该和使用的相变材料兼容。

因此所有的潜热储能系统应该具有以下特性:

(1)合适的相变材料的熔点在设计的温度范围内,

(2)一个合适的热交换面

(3)和相变材料兼容的合适容器

在潜热相变储能系统的发展之后,包括对这些必要主题的理解,相变材料,容器材料和热交换器。大部分的可利用的储存低温热能材料的科技手段在表2列出[7]。

2.潜热储存材料

相变材料都是指的是潜热储能材料。当一个材料从固体变为液体,或是液体变为固体会产生热量转移,这被称作形式转变或者是相转变。最初,这些固液相变材料表现地像传统的储能材料。吸收热量时,它们的温度上升。与这些传统储能材料不同的是,相变材料在一个继续不变的温度吸收或是释放能量。它们的单位体积可以储存比传统储能材料比如水,石头或是岩石高达5到14倍的热量。我们已知大量的相变材料在融化时需要热量。然而,当这些材料作为相变潜热材料应用时,这些材料必须表现出特定的被期望的热力学,动力学和混血性质。进一步的是,我们要考虑经济问题和原料的易获得性。

在设计的储热系统中使用的相变材料应该通过下列热物理,动力学和化学特性[8,9];

2.1 热力学性质

(1)合适的相变温度

(2)高潜热

(3)良好的热转换

图2

为特定的应用选取相变材料。应用加热和冷却的工作温度应该和相变材料的相变温度相匹配。潜热应该尽可能地高,尤其在体积考虑上,要尽可能地减少容器的物理尺寸。高的热导率能使得储能系统更加高效的吸热和放热。

2.2 物理性质

(1)良好的相平衡

(2)密度大

(3)小的体积改变

(4)小的蒸汽压

在凝固—融化中相稳定性将有助于能量储存,密度大使得使用更小的储能容器。在相变过程中小的体积改变和小的蒸汽压能够减少储存容器的相关问题。

2.3 动力学性质

(1)没有过冷

  1. 合适的结晶速率

过冷一直是发展相变材料的一个令人头疼的问题,尤其是对于水合盐。超过几度的过冷会干涉热热量的提取,而且5-10摄氏度的过冷能完全阻止这个过程。

2.4 化学性质

(1)长期的化学稳定性

(2)和容器兼容

(3)无毒

(4)不会起火

相变材料在通过水合作用,化学腐蚀或是与容器的不相容的情况下减少。相变材料应该是无毒,不易燃烧,不易爆炸的。

2.5 经济性

(1)原料丰富

(2)易获得的

(3)成本低

相变材料的低成本和量大易获得性也是非常重要的。

  1. 相变材料的分类

大量的相变材料(有机,无机和低共融物)能够适应任何所需求的温度范围。相变材料的分类在表3给出。

图3

这里有大量的有机和无机的化学原料,从它们的熔点以及潜热将它们定义为相变材料。然而,除了熔点在工作的范围内的,在早期讨论的时候,还有大多数的相变材料不满足作为充足的储能媒介的标准。

因为没有一个单独的材料可以拥有一个作为理想的储热材料所有需要的所有特性。人们必须通过合适的系统设计去使用可利用的材料去弥补不足的物理特性。举个例子,金属散热片可以提高相变材料的热导率,通过引入一个中间介质或是冷指法来改善过冷,使用合适的浓度来一直不协调的融化过程。

一般的,无机化合物的储热能力(250-400)大约是有机物储热能128-200的2倍。对于它们特定的不同的热化学的表现,那些影响使用相变材料的潜热储能系统设计的性质将在下面细分讨论。

3.1 有机相变材料

有机材料又进一步地分为石蜡和非石蜡。有机材料有一致的融化和凝固温度以及在反复中没有相分离和潜热不断减少的现象产生,等温结晶意味着在结晶过程中有很少甚至没有过冷现象产生,而且通常没有毒性。

3.1.1 石蜡

石蜡是由支链烃混合程度额混合物。()的晶化过程释放了大量的潜热,熔点和融化的潜热随着链的长度的增加而增加。由于石蜡可使用在较大的温度范围内,使得石蜡作为熔融的储热材料。处于开销的考虑,然而,仅仅工艺上分级的石蜡可能被当做相变材料在储热系统中使用。石蜡安全,可靠,可预测,便宜而且无腐蚀性。在500摄氏度以上,它们具有化学惰性以及稳定性,在融化时表现出小的体积改变和在熔融状态下表现出低蒸汽压。由于这些石蜡的特性,使用石蜡的系统通常有非常长的凝固—融化循环周期。表2a例举了一些工艺上分级的石蜡的热力学性质,这些石蜡本质上是石蜡的混合物而且是不完全精炼的油。链烃的熔点随着碳原子数目的增加而增加。除了这些好的优良性质,比如恒定的融化温度和好的等温结晶特性。它们也表现出一些不良好的性质,例如(1)低的热导率,(2)和塑料容器不兼容(3)中度易燃。所有这些不良好的效果能够通过对石蜡和储存单元改性来得到部分消除。一些被选中的石蜡在表2中列出,同时还有它们的熔点,融化潜热。相变材料被分类为(1)组1,最有前景的,(2)有前景的,(3)很少前景的。

表2

3.1.2 非石蜡

非石蜡有机物大多数都是高度可变的相变材料。非石蜡有机物中每一个都有它自己的性质,这是与石蜡不同的,石蜡材料都有很相似的性质。这是最大的种类的相变储能材料。Abhat et al[11]和Budd

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