相变蓄冷材料及系统应用研究进展

相变蓄冷技术利用相变材料在相变时伴随着的吸热或放热过程对能量进行储存和应用,起到控制温度、降低能耗和转移用能负荷的作用。本文综述了相变温度在25℃以下的相变蓄冷材料及其在不同应用场景的筛选依据,介绍了相变蓄冷材料在食品医疗冷链物流、建筑节能控温与数据中心应急冷却、人体热管理和医疗保健的相变纺织品等领域的应用。从调节相变蓄冷材料相变温度、过冷度、热导率和循环稳定性等方面总结了材料热物性的调控策略,分析了不同调控策略存在的优缺点,指出相变蓄冷系统可通过增强蓄冷系统热导率和强化传热结构来改善普通材料传热性能差的问题。最后从复合相变材料制备到系统设计优化和应用场景拓展等方面对相变蓄冷技术研究方向进行了展望。     

新型复合低温相变蓄冷材料的研制及热物性优化

针对低温冷链物流应用场合,提出一种由三羟甲基丙烷（TMP）、氯化铵（NH₄Cl）和水组成的新型有机-无机复合相变蓄冷材料。首先对该复合材料的不同配比进行DSC热分析实验,筛选出热力性能较优异的材料混合比（TMP∶NH₄Cl∶H₂O质量比为1.0∶2.0∶7.0）。其次,以上述配比的复合材料为基液,研究了添加不同的纳米粒子（三氧化二铝、二氧化钛、三氧化二铁）对其过冷度、热导率的影响,以及增稠剂（羧甲基纤维素（CMC）、聚丙烯酸钠（PAAS））对其相分离现象的影响,并进行了热循环实验。实验结果表明：添加0.40%(质量分数)的TiO₂纳米粒子对降低该复合材料过冷度效果最佳;添加0.50%(质量分数)的TiO₂纳米粒子对增大其热导率效果最佳;增稠剂CMC和PAAS可以消除该复合材料相分离现象并对其相变温度、相变潜热、过冷度等热物性影响较小。经优化所得最终复合相变蓄冷材料的配比为以1.0∶2.0∶7.0质量比混合的TMP-NH₄Cl-H₂O + 0.40%(质量分数)TiO₂ + 1.0%(质量分数) PAAS,其相变温度为－19.9℃,相变潜热为246.8 kJ/kg,热导率为0.81 W/(m·K),并具有较好的循环稳定性。     

空调用纳米有机复合相变蓄冷材料制备与热物性

针对目前空调用有机相变蓄冷材料热导率低的问题,将具有高导热性的纳米材料(MWNTs、Al₂O₃、Fe₂O₃)添加到所开发制备的二元复合有机蓄冷材料(质量比73.7:26.3的辛酸/肉豆蔻醇)中,从纳米材料的种类和浓度两方面,研究其对复合有机蓄冷材料热物性的影响。实验发现:对于MWNTs、Al₂O₃、Fe₂O₃ 3种纳米材料,当其质量分数分别小于0.3%、0.4%、0.8%时,对应纳米复合材料热导率随纳米材料浓度的增加幅度较为明显;与原二元复合有机相变蓄冷材料相比,添加0.3%的MWNTs,热导率提高26.3%;添加0.4%的Al₂O₃,热导率提高13.1%;添加0.8%的Fe₂O₃,热导率提高32.1%;当在一定纳米材料质量分数(如0.7%)下,加入纳米颗粒的复合材料导热性能效果依次为Fe₂O₃>MWNTs>Al₂O₃。不同纳米粒子的添加对原蓄冷材料的相变温度和相变潜热影响很小,相变温度变化波动最大为0.4℃,相变潜热变化波动范围最大为1.4%。     

新型0℃相变蓄冷材料制备及蓄冷特性

针对冷链物流应用场合,提出并制备了相变温度在0℃左右、潜热较高、过冷度较小的以质量分数5%的山梨醇水溶液为基液的相变蓄冷材料,并通过采用纳米材料对其热物性进行了优化研究,设计制作了一种可直接充冷式蓄冷保温箱,以苹果作为保温对象进行了山梨醇蓄冷保温箱的保冷性能实验。结果显示,采用纳米材料（TiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃）可以有效降低蓄冷剂溶液的过冷度并增强其热导率;当TiO₂质量分数为0.50%时,可使质量分数5%山梨醇水溶液过冷度降低至1.4℃;当TiO₂质量分数为0.40%时,5%山梨醇水溶液热导率达到最大值,为0.612W/（m·K）;山梨醇水溶液本身并无相分离现象,但因纳米材料沉淀问题需加一定量的增稠剂,最终经优化所得蓄冷材料的配比为5%山梨醇水溶液+0.40%TiO₂+1.0%聚丙烯酸钠（PAAS）,其相变温度为-2.9℃,潜热焓为293.8kJ/kg,热导率为0.62W/(m·K)。本文提出的蓄冷剂溶液可以使苹果在-1～7℃区间保温20h以上,可满足冷链物流“最后一公里”甚至更长距离冷藏运输的时间要求。     

相变蓄冷材料的合成及性能研究

研究了不同无机盐对单一无机盐水溶液最低共熔点的影响,结果表明:添加无机盐可降低单一无机盐水溶液的最低共熔点;添加5％无机盐Kx可以使10．9％KNO3水溶液的最低共熔点从-2．5℃下降到-5．4℃,其相变潜热为307．16 kJ／kg,从而开发出一种新的铁路冷藏车相变蓄冷材料。     

硫酸钠水合盐相变蓄冷材料的制备及性能优化

针对空调系统应用场合,提出一种以十水硫酸钠（sodium sulfate decahydrate,SSD）为主材的相变蓄冷材料新型制备配方,并对材料的各方面性能加以优化。首先采用步冷曲线法确定成核剂比例,消除材料过冷现象,在此基础上研究分析了不同种类、含量的增稠剂[聚丙烯酸钠（PAAS）、聚丙烯酰胺（PAM）、羧甲基纤维素（CMC）、聚阴离子纤维素（PAC）、黄原胶（XG）]对材料相分离及相变潜热的影响,接着加入熔点控制剂氯化铵、氯化钾改变十水硫酸钠的相变温度,调配出满足空调温区的相变材料,最后加入膨胀石墨（expanded graphite,EG）进一步改善材料的导热性和稳定性,并进行了热循环测试。结果表明：添加质量分数3%的硼砂对降低材料过冷度效果最佳;添加质量分数1.0%~2.0%的PAAS可以消除材料的相分离现象,且对材料的相变潜热影响较小。SSD-BPA∶EG质量比为93∶7时材料具有较高的导热性和形状稳定性。经优化后复合相变蓄冷材料的相变温度为7.4℃,相变潜热为117.4J/g,热导率为1.876W/(m·K),经200次循环后材料的相变温度保持稳定,潜热衰减率为14.05%。     

相变蓄冷材料在冷链物流中的研究进展

综述了相变蓄冷材料在冷链物流中的研究进展;介绍了冷链物流在我国的发展形势;总结了国内外关于相变蓄冷材料在组成成分、方法制备、蓄冷性能及应用效果等方面的研究概况;梳理了关于冷链物流过程中的各种储运设备在结合相变蓄冷材料前后的性能对比,对相变蓄冷材料在冷链物流中的应用发展前景做出了展望。     

十水硫酸钠相变蓄冷材料的制备及性能研究

针对果蔬保鲜冷链运输对温度的要求,制备出一种具有适宜相变温度和潜热值的十水硫酸钠相变蓄冷材料。本研究考察了成核剂硼砂的含量对材料过冷度的影响,分析了增稠剂聚丙烯酸钠的含量对材料相分离问题的改善效果,探究了氯化铵和氯化钾的配比对材料蓄冷温度的调节效果,并进行了冷热循环测试。结果表明,十水硫酸钠水合盐体系的最优配比为：4%硼砂+0.75%聚丙烯酸钠+15%氯化铵+5%氯化钾,此时相变体系基本无过冷和相分离,相变温度为11.42℃,相变焓为97.99J/g,经过30次冷热循环后相变温度和焓值基本没有发生变化。     

月桂酸-膨胀石墨复合相变储热材料的性能研究

以月桂酸为相变材料,膨胀石墨为支撑结构,利用微孔吸附法制备了月桂酸/膨胀石墨复合相变储热材料。采用扫描电镜分析(SEM)、X射线衍射分析(XRD)和差示扫描量热分析(DSC),对复合相变储热材料的结构与性能进行了表征。结果表明,月桂酸被吸附到膨胀石墨的微孔中,但对膨胀石墨的多孔结构及层间距影响不大。同时,月桂酸/膨胀石墨复合材料的相变温度与月桂酸一致,其焓值与复合相变材料中月桂酸的百分含量与纯月桂酸焓值的乘积相当。     

相变蓄冷浆体材料研究进展

相变蓄冷浆体材料具有良好的流动性和高蓄冷密度,既可用作蓄冷材料,也可作为载冷剂来输送冷量,应用前景广阔。相变蓄冷浆体材料包含冰浆、笼型水合物浆体、微胶囊乳液、相变乳状液和微乳液等,其中笼型水合物又包含CO₂水合物、有机制冷剂水合物和季盐类水合物。本文综述了上述相变蓄冷浆体材料的基础物性、制备方法和流动传热特性,并介绍了水合物浆体生成的强化以及浆体流动特性的改善研究,分析比较了几种相变蓄冷材料的优缺点,列举了浆体材料在蓄冷空调系统中的典型应用,并指出了蓄冷技术未来的发展趋势,如尿素–水,乙醇–水和乙二醇–水等自然工质良好的热学性能均为其制备相变蓄冷材料提供了可能。     

高导热膨胀石墨/棕榈酸定形复合相变材料的制备及储热性能研究

采用棕榈酸(palmitic acid, PA)作为相变材料,膨胀石墨(expanded graphite, EG)作为添加基质,通过“熔融共混-凝固定形”工艺制备了PA/EG定形复合相变材料以提高相变材料的综合性能。预测并制备了21种不同配比的定形复合相变材料,对其形貌结构和孔隙率进行了微观表征与理论分析,并在此基础上对样品进行了传热性能分析、热物性测试、热稳定性研究和储热性能分析。SEM形貌分析显示所使用工艺可使棕榈酸能较好地被吸附于膨胀石墨的孔隙结构并使之均匀分布;DSC测试结果表明定形复合相变材料[70%(质量) PA]的焓值为193.01 J/g,纯PA的焓值为275.35 J/g,对应于熔点分别为61.08℃和59.53℃。EG的添加,可有效提高相变材料的热导率。当样品密度为900 kg/m³,EG含量为30%(质量)时,定形复合相变材料的热导率为14.09 W/(m·K),相比于纯PA[0.162 W/(m·K)]提高约87倍;对制备的样品进行50次循环稳定性实验,EG含量为24%(质量)和30%(质量)的样品形态均未出现明显变化,表现出良好的充放热循环稳定性。     

月桂酸-膨胀石墨复合相变材料的制备及性能

以月桂酸为相变材料, 多孔石墨为骨架基体, 利用多孔石墨的物理吸附特性, 制备月桂酸-膨胀石墨定形复合相变材料。并通过实验对定形复合相变材料的基本性能、表面形貌及耐久性进行了研究。结果表明, 月桂酸被有效地包封在膨胀石墨的孔隙内;m_月桂酸:m_膨胀石墨=95:5时定形复合相变材料的相变温度45.45℃, 相变潜热125.30 J·g^-1;经100次冷热相变循环后, 复合相变材料损失量非常少, 表明月桂酸-膨胀石墨复合相变材料在实践中有良好的稳定性。     

硬脂醇/膨胀石墨复合相变材料的制备及储热性能

相变储热技术是解决热量在时空上分配不平衡问题的有效手段之一,研制高性能的复合相变材料（phase change material, PCM）成为当前研究者关注的重点。硬脂醇（stearyl alcohol, SAL）等有机PCM目前主要存在热导率偏低以及循环稳定性较差等问题而限制了实际应用。以SAL作为PCM,膨胀石墨（expanded graphite, EG）为高导热多孔基质,采用吸附定形工艺制备了16种SAL/EG复合PCMs[EG含量为7%、14%、21%、28%（质量）;样品密度为700kg/m³、800kg/m³、900kg/m³、1000kg/m³]。对复合PCMs样品的微观结构、储热能力、导热性能、循环稳定性及充放热性能进行研究与分析。结果表明：SAL完全填充于EG的多孔网络。当样品密度为900kg/m³,EG质量分数为28%的水平热导率最高,其值为28.58W/(m ? K),相比于纯SAL[0.38W/(m ? K)]提高了74倍,该值大约是相对应垂直热导率[5.99W/(m ? K)]的4.8倍。另外在构建的充放热性能试验台上研究了样品中心位置的储/放热性能,结果显示样品密度为900kg/m³,EG质量分数为28%的样品充放热速率最大,固-液潜热吸热和放热阶段所经历的时间分别为53min和20min。与此同时验证了样品的导热性能和熔化-凝固特性,说明SAL/EG复合PCMs具有稳定可靠的储/放热性能。     

膨胀石墨基相变储能材料的研究

利用膨胀石墨孔隙结构的吸附性能,制备了石蜡/膨胀石墨、聚乙二醇/膨胀石墨、十四醇/膨胀石墨相变储能复合材料,用差示扫描热量法研究了材料的热性能.结果表明,复合材料的相变潜热随着石蜡、聚乙二醇、十四醇含量的增加而增加.复合材料的导热性能随着石蜡、聚乙二醇、十四醇含量的增加而小.膨胀石墨的多孔结构对石蜡、聚乙二醇、十四醇有很好的吸附性能,石蜡、聚乙二醇、十四醇在固一液相变时,未见有液态石蜡、聚乙二醇、十四醇的渗出.     

中温相变蓄热材料研究进展

对中温相变蓄热材料(PCM)的定义范畴、应用领域、国内外发展现状进行了评述。中温PCM主要针对90~550℃的热动力环境,在太阳能热发电、有机朗肯循环、移动蓄热技术、分布式能源系统等方面有广阔的应用前景。指出进一步的研究方向是拓展中温PCM的应用场合,规范长期稳定性的表征与测试手段,重视与换热器开发以及应用领域的整合,并提出硝酸盐熔融盐混和物将是今后一段时期内中温PCM研发和培育的重点产品对象。     

石蜡微胶囊型相变储能材料制备及表征

采用原位聚合法以30#石蜡为芯材、密胺树脂（MF）为囊材,制备了具有相变储热功能的微胶囊,并将所制得微胶囊添加到石膏板中。采用SEM、FTIR、DSC和TG等手段对微胶囊外观形貌、化学结构和热性能进行了表征,并测试了石膏板储能性能。结果表明：制得微胶囊中石蜡平均含量约为50.4%,相变温度和相变潜热分别为30℃、108.7 J/g;微胶囊表面光滑有突起,粒径在10～20μm;具有较好的外观结构和良好的热稳定性,能增强石膏板的保温性能。     

固-固相变储热材料的研究进展

与固-液相变材料相比,固-固相变材料（SS-PCMs）受到的关注较少;鉴于SS-PCMs具有储能密度高、无毒且腐蚀性小、相变时无液体产生且体积变化较小、不易发生相分离以及过冷度小等优点,因而是一类具有发展潜力的相变材料。本文基于SS-PCMs的研究现状,对近年来几类重要SS-PCMs如多元醇SS-PCMs、高分子类SS-PCMs及无机盐类SS-PCMs的研究进展进行了综述。简要阐述了SS-PCMs的分类以及各类SS-PCMs的性能、相变储热机制和优缺点。同时介绍了选择固-固相变材料应用时的基本原则,并针对相变材料热导率低,过冷度大、稳定性差等问题的改性研究进行了综述,还简要综述了SS-PCMs的应用研究。最后指出,未来的研究应着眼于解决已合成SS-PCMs的缺陷,开发多功能的SS-PCMs,并在SS-PCMs的实际应用方面实现突破。     

聚双甲基丙烯酸聚乙二醇酯固-固相变储能材料的制备

制备了以聚甲基丙烯酸为骨架、聚乙二醇(PEG)为工作物质的新型高分子固-固相变储能材料。对PEG和几种不同的相变材料分别进行DSC测试,对PEG分子量为4000的相变材料进行非等温DSC测试。结果表明,与纯PEG相比,相变材料的相转变温度降低12.3℃,相变焓降低45 J/g。随着聚乙二醇分子量由2000依次增加为4000,6000,10000,相变材料的相转变温度分别为44.8,52.9,63.8和74.3℃,相变焓分别为142.9,203.2,190.1,231.4 J/g,均有增加的趋势。随着升温速率增加,PEG分子量为4000的PCM的相变温度依次升高,分别为47.4,50.0和53.1℃。     

硬脂酸/活化凹凸棒石复合相变储热材料的制备与表征

以热活化的甘肃临泽凹凸棒石为基体,采用热熔法和浸渍法制备了硬脂酸/活化凹凸棒石复合相变储热材料。利用红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等方法表征了复合材料的结构,采用示差量热扫描仪(DSC)和储放热实验考察了复合材料的储/放性能和稳定性。结果表明采用热熔法和溶液浸渍法制备的材料具有相同的结构,硬脂酸按38.5%的负载率以物理作用吸附于活化凹凸棒石表面,其相应的相变焓分别为68.44 J/g和69.06 J/g。稳定性实验表明2种材料均具有良好的化学稳定性,但热稳定性存在差异,热熔法制备的复合材料的热稳定性优于浸渍法制备的复合材料。