相变蓄热供暖的好处
发布时间:2016-11-15
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相变材料(Phase Change Materials,简称PCM)是指在一定温度范围内,物理状态或分子结构发生转变的一类材料。可以在特定的温度或者温度范围下发生物质形态的变化,并且伴随着相变过程吸收或者放出大量的相变潜热,所以可以用来储热或者蓄冷。相变储能与显热储能相比具有储能密度高、储能放能近似等温、过程易控制等特点,非常适用于解决能量供给与需求失衡的难题。
相变材料按照性质和组成可分为无机材料类、有机材料类和混合类三种。
相变材料按照相变前后的物态可分为固-固相变材料、固-液相变材料、固-气相变材料和液-气相变材料。
科学技术的快速发展,能源已逐渐成为人类赖以生存的基础,但是能源的供应与需求都有较强的时间性,为了提高能源利用效率、保护环境、解决热能供给与需求失配的矛盾,在太阳能利用,电力的“移峰填谷”,废热回收利用以及建筑与空调的节能中,相变蓄热技术已正成为世界范围内研究的热点。
国外对于相变材料的研究要追溯到20世纪60年代。当时,美国宇航和太空总署(NASA)为了保护宇宙飞船内的精密仪器和宇航员不受外界剧烈变化的温度的影响,开始重视对相变材料的研究工作。此后,美国空军(USAF)、海军(NAVY)、能源部(DOE)、农业部(DOA)和美国国家基金(NSF)陆续多次资助该方面的研究项目。特别受80年代能源危机的影响,相变储热(LTES)的基础理论和应用技术研究在发达国家(如美国、加拿大、日本、德国等)迅速崛起并得到不断发展。
在相变材料的研究上,最初的研究主要集中于单一的固-液相变材料,例如无机和有机相变材料,其中无机相变材料的储热密度大,导热性能好,廉价易得,使其更易推广应用。但是,在相变时产生的液体的泄露也限制了其实际的应用。有机相变材料存在着成本高,导热性能差等缺点,同样也受到了应用限制。
目前,对于相变材料的研究主要集中于解决相变材料本身的这些缺陷。为了防止材料泄露以及提高导热速度,各国科学家采取了不同的方法。例如,将相变材料与大分子进行接枝发展成固-固相变材料,由于大分子的熔点高于相变材料,使得其变成液体时也不会发生流动性的泄露。利用高分子聚合技术将相变材料做成微米或者纳米级的胶囊,既提高了导热速度,又防止了泄露。尤其是微胶囊技术,是一个研究热点之一。当前,微胶囊相变材料的研究多数集中在其制备方法、囊芯和囊壁的选择以及成本控制。
近年来,对相变储能的理论和应用研究发展更是非常之快,使其已成为涉及物理化学、材料科学、太阳能、传热学、工程热力学、相图理论、量热技术及热分析等学科领域的新的学科方向。
国外已经将相变材料的实际应用推广到许多领域中,例如建筑节能领域(提供相变材料并同时提供设计一体化)、太阳能利用、余热/废热利用、电力调峰、日常生活应用及电子元器件热保护、纺织服装、农业上的应用等。
国内的实际应用推广还较少,主要集中于无机相变材料的延伸产品,例如:市场上流行的冰垫,消防用相变材料衣服。有关相变潜热蓄能系统(LHTES)的优化设计和强化传热的研究、附加价值高的产品还有待发展。
相变热水锅炉作为一种新型的锅炉种类,在当下的锅炉市场中扮演着重要的角色。其工作原理:利用水在低压情况下沸点低的特性,快速加热封密的炉体内填装的热媒水,使热媒水沸腾蒸发出高温水蒸汽,水蒸汽凝结在换热管上加热换热管内的冷水,达到供应热水的目的。
相变供暖利用相变材料将不稳定的电能持续的存储起来,然后稳定的输出,使电能得到更加高效的利用,起到连续供应热水的作用。通过循环空气带走相变材料蓄积的热量,再将其传递给换热器中的冷水,从而避免了相变蓄热模块与换热水直接接触,避免冷水被污染的危险。相变蓄热模块通过相同尺寸的卡槽固定在底座上,可以灵活控制蓄热模块的数量,从而调节其蓄热功率。
总之,合理的选择将最终决定相变材料的储能供暖效果和应用前景,在选择和应用相变材料时可将以上标准作为依据,这对相变材料的开发以及相变储能技术的发展是十分有益的。
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