张正国:相变蓄热技术应用前景广阔,核心是高性能相变材料的开发和应用
发布者:dxh | 来源:​中国清洁供热平台 | 0评论 | 580查看 | 2019-09-17 10:37:18    

中国清洁供热平台讯:“蓄热技术应用广泛、前景广阔,但是必须合理利用。首先注意的是相变温度的选择、相变材料的选择,高性能蓄热材料是蓄热应用的核心,但是现在普通的材料都存在导热、过冷、相分离、腐蚀及成本等问题,这需要大量的技术研究。”华南理工大学化学与化工学院院长张正国日前在出席2019首届中国清洁供热蓄热技术应用和发展论坛做主题报告时如是说道。


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复合相变材料是开发高性能相变材料的有效途径


蓄热技术包括显热储热、潜热储热、化学反应储热三大类。张正国介绍,显热蓄热材料在蓄热过程中靠温度的提升来储存热量,且从低温到高温都有相关的材料,包括液体、固体材料等,显热蓄热过程相对比较简单。潜热蓄热也称相变蓄热,包括固-液(固)相变,液-汽相变等,但液-汽相变过程体积膨胀大,不方便应用”。张国正说,总体来看,相变蓄热具有比较高的蓄热密度、相对稳定的相变温度,拥有广阔的应用前景。而化学反应蓄热则是通过可逆化学反应来进行热量的储存和释放,由于涉及化学反应,过程不易控制,目前还主要处于基础研究阶段。


这三种蓄热技术从技术成熟度来看,从显热到相变蓄热再到化学反应蓄热,储能密度越来越高,但技术成熟度越来越低。张正国表示,相变蓄热的蓄能密度较大,并且过程相对容易控制,所以比较有应用前景。


相变材料的种类有多种类型,主要包括有机物和无机物等,其相变温度从零下几十度到零上一千度。例如,一些有机物相变材料包括石蜡、有机酸等,相变温度通常在一百度以内;水合无机盐类,相变温度基本上也在一百度以内,而没有结晶水的无机盐相变材料,其相变温度可以到几百度,能满足太阳能高温热利用的需求。但有机和无机类相变材料都有各自的优点和缺点:有机物相变材料的性能相对比较稳定,但存在导热系数低,具有可燃性的缺点,而无机物相变材料相变潜热相对较大,但存在过冷、相分离及腐蚀性等问题。“采用复合技术有望解决单一相变材料在应用中的不足”,张正国表示,如制备胶囊相变材料,用高分子材料或无机物材料外壳将相变材料进行封装,可以解决相变材料的流动性及腐蚀性的问题。采用多孔介质作为载体与相变材料进行复合,可以调控相变材料的导热系数,解决液体的流动性及腐蚀性等问题。因此,复合相变材料是极具应用前景。


据介绍,张正国团队再蓄热领域主要做以下三方面的研究:一是制备各种高性能的复合相变材料,二是针对蓄热技术的实际应用,设计相关的蓄热构件或蓄热器结构;三是对蓄热系统的热性能进行实验研究和数值仿真,为实际应用提供依据。


水合无机盐复合相变蓄热建筑材料的研究


张正国团队将蓄热技术与建筑构件相结合,来降低建筑能耗。“建筑节能是大家比较关注的问题,随着经济社会的快速发展,建筑能耗会逐渐增大,蓄热技术和建筑材料相结合,如蓄热墙体、蓄热地板和屋顶等等都可以实现建筑节能。通过主动式、被动式、主动和被动相结合的方式来实现房间内的加热和冷却”。目前,国外的BASF公司开发了蓄热建筑材料并进行了工程示范,蓄热建筑材料对室内温度有很好的调控作用。


另外,美国的Dupond公司也开发了相关的蓄热材料。这些蓄热材料基本上采用微胶囊封装的有机物相变材料,制备工艺相对复杂,成本也比较高。张正国表示,制备水合无机盐复合相变材料应是降低成本的有效路线。“我们在实验室制备了一系列基于水合无机盐相变材料的蓄热建筑材料及构件,并进行了热能测试,发现水合无机盐复合相变材料可以有效地减少室内温度的波动,从而实现建筑节能”。张正国在会上说到。


高导热碳基复合相变材料的开发


对于太阳能的中高温热利用,蓄热材料是提升热性能的核心之一,其关键是高导热复合相变材料的开发和应用,张正国团队发现,采用碳材料作为载体制备复合相变材料能有效地提升材料的导热系数,相变材料可以通过压缩成型,且蓄放热过程中体积的膨胀率很低,张正国实验室也研发了相关的专利技术。


该复合相变材料还可以与热泵空调系统相结合,如利用低谷电制热并且进行热储存,用电高峰时进行释放,降低用热成本。或者,开发蓄热式化霜系统,在冬季制暖时实现不停机化霜。或者,结合热泵机组,开发蓄热水箱替代传统的水箱,减少水箱的体积。蓄热器的传热强化和结构设计非常重要,对于无机盐相变材料的应用,还要解决腐蚀性问题。张正国团队开展了蓄热器的结构设计、热性能实验研究和数值仿真,为蓄热技术的实际应用提供了参考。


最后,张正国总结到,太阳能热利用和清洁供暖蓄热技术需要高性能的蓄热材料,强化传热的蓄热器结构,并且还要将强化传热技术与相变蓄热材料进行有效的结合。因此,“在蓄热技术实际应用过程中,一方面涉及到蓄热材料的物性调控,另一方面涉及到蓄热-放热过程的传热强化。需结合实际应用,计算蓄放热时间、蓄能密度等,实现热能储存与释放过程的有效匹配”。

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