中科大相变储能课件01贮热相变材料的分类和选择

Na2HPO4·12H2OK3PO4·7H2ONa3PO4·12H2ONa2CO3·12H2OCaCl2·6H2OKF2·H2OKF·4H2O常用结晶水合盐类18常用结晶水合盐类热物性表19材料名称熔点℃熔解热kJ/kg比热kJ/kgKLiquidsolid导热系数W/mK1共融系统Mg(NO3)2·6H2OMgCl2·6H2OZn(NO3)2·6H2O2部分共融系统Na2S2O3·5H2OCaCl2·6H2O3非共融系统Na2SO4·10H2O89.9115.036.148.529.732.41671651472101702411.841.721.341.461.461.762.512.822.262.382.133.300.49095℃0.570120℃0.46439.9℃0.5740℃0.54038.7℃0.544附表1结晶水合盐类热物性表20附表2无机化合物材料名称相变温度℃比热kJ/kgK导热系数W/mK熔解热kJ/kg溶解熵kJ/kgK密度kg/m3NaFNaClKFMgCl2AlMgLiNo3KClNa2CO4K2CO4KBrCaLiBrNa2SO4NaOH9958048567146596502527728528987348485508842933197894864844524013723703462902352222182022023010.6220.4520.4280.4590.4300.4040.7050.3320.2590.1990.2200.1940.2460.1750.6412.802.162.482.322.701.742.371.992.532.751.553.462.692.1321附表12-1Al的比热（kJ/kgK）

、潜热（kJ/kg）值文献123456固态比热1.291.0840.9490.9200.9530.912-1.031液态比热1.20潜热400395.7388400387342-405附表12-4铝合金潜热TTECsClHHAl-8%Si708.755761.0591.741428.26428.94704.01.0591.741429.62Al-12.6%Si708.751.0381.741481.52463.41708.751.0381.741445.30Al-20%Si7000.97481.52528.36701.40.97561.49Al-27%Cu5.25%Si705.255200.8751.437359.42365.58705.00.875371.74Al-5%Si13.2%Mg701.755521.1231.249524.71533.07701.01.123541.4322附表12-2铝基合金的固态液态比热成分T℃CpCpT℃T℃CpCpAl-8%Si525.751.0521.059529.001.065Al-12.6%Si545.751.0751.970639.0805.00.65011.714521.001.000Al-20%Si517.601.0190.970534.600.921Al-27%Cu5.25%Si435.500.9080.9755888050.65471.437503.000.847Al-5%Si13.2%Mg537.601.1201.1286148490.64971.249510.501.12623水和水蒸气性质表

饱和状态（按温度排列）t℃×103Pa

v'm3/kgv"m3/kgh'kJ/kgh"kJ/kgrkJ/kgs'kJ/kgKs"kJ/kgK00.611290.00100022202.154-0.052500.512500.56-0.00029.15440.010.61170.00100021206.01202500.532500.5309.154110.657160.00100018192.4644.182502.352498.170.01539.127820.70605100013179.7878.392504.192495.80.03069.101430.758130.00100009168.04112.612506.032493.420.04599.075240.813590.00100008157.15116.822507.872491.050.06119.049350.87260.00100008147.04821.022509.712488.690.07639.023660.935370.0010001137.6725.222511.552486.330.09138.998271.00210.00100014128.96129.422513.392483.970.10638.97381.0730.00100019120.86833.622515.232481.610.12138.94891.14820.00100026113.34237.812517.062479.250.13628.9233101.22810.00100034106.341422518.92476.90.1518.898824名称熔点温度导热系数密度比热粘度Pt数汞钾铋铅-38.363.9271.1327.3151503001503005007003505007008.13611.62314.06444.98116.50515.57515.57516.27215.57514.00613550132001280081010020977095301050010350101000.1380.1380.1340.7960.1440.1520.1620.1590.1550.1555.733.953.111.345.954.273.358.656.924.930.0270.0120.00840.00660.01440.01160.00970.02350.0190.015液态金属的物性25石蜡类附表6石蜡类物性表，熔点范围宽，潜热高。脂酸类（fattyacid）附表3脂酸类热物性表其它有机相变材料附表5一些有机物热物性表有机类26名称碳原子数分子量熔点℃熔解热Kcal/kg密度70℃g/ml体积收缩率固化转变n-Dodecanen-Tridecanen-Tetradecanen-Pentadecanen-Hexadecanen-Hepeadecanen-Octadecanen-Nonadecanen-Eicosanen-Heneicosanen-Docosanen-Tricosane121314151617181920212223170184198212226240254268282296310324-12-65.51016.721.728.232.636.640.244.047.5545956.64158-594860560.7500.7560.7710.7680.7740.7780.774-0.7550.7580.7630.764-------10.516.01010.09.4-------2.5-2.56.24.2石蜡类物质的热物性27石蜡类物质的热物性碳原子个数熔点℃熔解热kJ/kg密度kg/m320℃比热25℃80℃202122304036.7540.3544.1565.5581.65248213252252272755758791806817544.3570.7598.1801.21022.06586987391037141128名称分子式熔点℃熔解热kJ/kg比热kJ/kgK导热系数W/mK固体密度Kg/cm3液体密度Kg/cm3CapricacidCaprilicacidLauricacidMyristicacidPentadecanoicacidPalmiticacidC10H20O2C12H24O2C14H28O2C15H30O2C16H32O23616.34353.752.562.3152149177187178186--1.61.6--0.14940℃0.14820℃0.14750℃--0.1651.0040.8811.0070.9900.9900.9890.8780.9010.8620.8610.8610.850脂酸类热物性表29乙酰苯二苯醚辛酰十七烷酮30包合与类包合水合物（笼形水合物）

（clathrateandsemi-clathratehydrate）包合水合物是固体水的空隙内包含有其他外来物质，这些物质不与水发生作用，只起到稳定水（冰）的结构的作用。类包合水合物是外来物质直接参与冰的网格结构，如胺的水合物

(hydrateofamines)

和四烷基铵盐（tetraalkylammonium

salts）。天然气水合物储量巨大，含天然气2.0*1016m3，常规天然气1.19*1014m3，据估计天然气水合物中有机碳的含量是当前已探明的所有化石燃料含碳量的2倍。形成条件低温高压。海底，高纬度地区。开采水合物31

气体水合物是指气体或易挥发的液体在一定温度和压力下与水结合而形成的包络状晶体。作为大分子的气体或液体分子被水分子环绕，此结构是通过范德华力（非化学键）而形成的。气体水合物主要有制冷剂水合物和天然气水合物两大类。32Someexamplesofclathrateandsemi-clathrateMaterialmeltingpoint(oC)heatoffusion(kJ/kg)ClathrateSO2·6H2O(101.3KPa)7.0247C4H8O·17.2H2O4.4255semi-clathrateBu4NCH3CO2·32H2O15.1209

33共晶(体)(eutectics)共晶[eutectic]一种合金或固溶体,其所含组分的比例是这样的，即在具有这样的组分比例时其熔点可能最低。（固体溶液）在任何情况下把这两个组元熔在一起，冷却下来还是二者的混合物附表10-2贮冷共晶混合物物性表附表7-1有机、无机低共熔混合物相变物性表附表7-2低共熔混合物物性表附表7-3低共熔混合物组成、相变温度一览表3435363738定形相变材料（Form-stablePCMs）固-固相变材料固液相变材料39各类相变材料的适用温度附表9：0到1500摄氏度相变材料附表10-1：-70到0摄氏度相变材料4041423.有关相变材料的常用术语晶态（crystal）晶体最本质的特点是原子或离子，以周期性重复方式在三维空间作有规则的排列。

固体中的原子或分子有序的空间排列状态，每个晶体有相同的几何结构，相应的晶面间有相同夹角，晶体结构可用X-射线、电子、中子衍射仪分析。多晶现象（polymorphism）两种或两种以上的晶体同时存在的现象。非晶态（amorphous）非晶、不定形固体可视为过冷液体。这类PCM不象晶体状固体那样有明显的相变温度，玻璃、凡士林为典型例子。一般称为玻璃态。43晶态经典的固体理论将固体物质按其原子聚集状态分为晶态和非晶态两种类型。晶体学分析得出：晶体中原子呈有序排列，且具有平移对称性，晶体点阵中各个阵点的周围环境必然完全相同，故晶体结构只能有1，2，3，4，6次旋转对称轴，而5次及高于6次的对称轴不能满足平移对称的条件，均不可能存在于晶体中。近年来由于材料制备技术的发展，出现了不符合晶体的对称条件，但呈一定的周期性有序排列的类似于晶态的固体,1984年Shechtman等首先报道了他们在快冷A186Mn14合金中发现具有5次对称轴的结构。于是，一类新的原子聚集状态的固体出现了，这种状态被称为准晶态（quasicrystallinestate），此固体称为准晶（quasicrystal）。准晶态的出现引起国际上高度重视，很快就在其他一些合金系中也发现了准晶，除了5次对称，、还有8，10，12次对称轴，在准晶的结构分析和有关理论研究中都有了进展。44非晶态非晶态固体与液态一样具有近程有序而远程无序的结构特征。非晶态固体宏观上表现为各向同性，熔解时无明显的熔点，只是随温度的升高而逐渐软化，粘滞性减小，并逐渐过渡到液态。非晶态固体又称玻璃态，可看成是粘滞性很大的过冷液体。晶体的长程有序结构使其内能处于最低状态，而非晶态固体由于长程无序而使其内能并不处于最低状态，故非晶态固体是属于亚稳相，向晶态转化时会放出能量。常见的非晶态固体有高分子聚合物、氧化物玻璃、非晶态金属和非晶态半导体等。45腐蚀性（corrosion）指金属与环境或其它材料发生的化学或电化学反应。按照GB/T15555.12制备的浸出液或水溶性液态废物的pH值≥12.5，或者≤2.0，则该废物是具有腐蚀性的危险废物；非水溶性液态废物在55℃条件下，对GB/T699中规定的20号钢材的腐蚀速率≥6.35mm/a，则该废物是具有腐蚀性的危险废物；46毒性毒性（toxicity）材料对人体造成伤害的特性。伤害皮肤、血液、粘膜等多种组织器官。毒性测试试验第一阶段——急性毒性试验：第二阶段——致突变试验、亚急性毒性试验第三阶段——亚慢性毒性试验、致畸试验、生殖毒性试验和迟发性神经毒性试验：第四阶段——慢性毒性试验、致癌试验、代谢试验和接触人群的观察：47低共熔、共晶混合物（eutectic）两种或两种以上的物质组成的具有最低融点的混合物。低共熔混合物具有和纯净物一样明显的融点—共晶点（eutectic

point），在可逆的固-液相变中始终保持相同的成分。熔点、溶点冰点（freezingpoint）、融点（meltingpoint）物质由液态开始转化为固态的温度称为冰点；物质由固态开始转化为液态的温度称为融点。两者不一定相等。低共熔、共晶混合物48蒸汽压（vaporpressure）汽液共存，达到平衡状态时蒸汽的压力。蒸汽压随温度升高而升高。蒸汽压低沸点高。吸湿（hygroscopic）物质吸收并保持环境中的水分的特性。吸收水分后，物质的一些性质会有所改变。该物质易溶于水，吸湿与蒸汽压有关，溶液的蒸汽压低于纯水的蒸汽压，浓盐水和稀盐水，（吸收式制冷）。体积膨胀系数（coefficientofvolumeexpansion）V=V0[1+ßT]，ß为膨胀系数。49过冷（supercooling）液体被冷却到熔点以下未形成任何固相的现象叫过冷。相变材料凝固前的过冷状态是物质结构的一种亚稳态。水的过冷度为5℃到6℃。过热不溶解，不沸腾50许多应用广泛的水合盐经常遭遇不谐调溶解问题。这些盐的溶解度不够高，不能使盐全部溶解在其释放的结晶水里。因此，熔化物包含饱和溶液和沉淀的无水盐，当熔化物冷却时，在溶液和无水盐之间的界面生成盐结晶，这一层薄盐并把它们分开。这以后，只有溶液中的盐才结晶，把无水盐留在底部。不协调熔解（Incongruentmelting）51Incongruentmeltingofasalthydrate52增稠剂(Thickening

agents)使用增稠剂能阻止固液两相的分离。增稠剂也能阻止成核剂沉淀。增稠剂也降低了贮热系统的熔点和贮热能力。阻滞聚集成核剂（nucleation）对于一些相变材料，在相变材料处于不稳定的液态时，一些微粒（晶粒）的存在会导致大晶粒的形成和生长，从而使液体凝固，这些微粒就叫核（nuclei）。这些微粒可以是灰尘、玻璃或其它一些固体颗粒，也可以是未融化的相变材料。对一些存在过冷现象的盐类相变材料，找成核剂是非常重要的环节。53各类中常温相变贮能材料简介结晶水合盐文献对这类相变贮热材料作了比较全面的综述。TellesM.Thermalstorageinsalt-hyrates.SolarMaterialsScience.AcademicPress.1980:377-404.

结晶水合盐是中常温相变贮能中最常用的一大类相变材料，其特点是：使用范围广、价格便宜、导热系数与相变潜热较大、密度大、单位体积贮热量大。54结晶水合盐存在的问题过冷和析晶所谓过冷是指液态相变材料冷却到“凝固点”时并不结晶，而需冷却到“凝固点”以下一定温度时才开始结晶的现象