儲(chǔ)熱技術(shù)知多少？
導(dǎo)讀
顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱、熱化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱，你了解嗎？
儲(chǔ)熱技術(shù)包括兩個(gè)方面的要素，其一是熱能的轉(zhuǎn)化，它既包括熱能與其他形式的能之間的轉(zhuǎn)化，也包括熱能在不同物質(zhì)載體之間的傳遞；其二是熱能的儲(chǔ)存，即熱能在物質(zhì)載體上的存在狀態(tài)，理論上表現(xiàn)為其熱力學(xué)特征。
儲(chǔ)熱技術(shù)的性能受到儲(chǔ)熱介質(zhì)?密度等狀態(tài)量的影響，還受到介質(zhì)本身在熱量交換和轉(zhuǎn)化等過(guò)程性能的影響，包括介質(zhì)的換熱性能及流動(dòng)性能（儲(chǔ)熱介質(zhì)本身也可能是換熱工質(zhì)）等。
備注： ?是用來(lái)衡量所儲(chǔ)存熱量的質(zhì)（即有用功）的一個(gè)重要參數(shù)，通常用E來(lái)表示。儲(chǔ)熱介質(zhì)的更寬的工作溫度范圍、更大的比熱容以及極高溫（低溫）區(qū)域的相變均是提高?密度的有效途徑。
值得指出的是，儲(chǔ)熱技術(shù)并不單指儲(chǔ)存和利用高于環(huán)境溫度的熱能，還包括儲(chǔ)存和利用低于環(huán)境溫度的熱能，即日常所說(shuō)的儲(chǔ)冷。
儲(chǔ)熱方式分類
目前，主要有三種儲(chǔ)熱方式，包括顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱（也稱為相變儲(chǔ)熱）和熱化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱。
1顯熱儲(chǔ)熱
顯熱儲(chǔ)熱是利用材料所固有的熱容進(jìn)行的熱量?jī)?chǔ)存形式。
目前主要應(yīng)用的顯熱儲(chǔ)熱材料有硅質(zhì)、鎂質(zhì)耐火磚，三氧化二鐵、鑄鋼鑄鐵、水、導(dǎo)熱油、沙石等熱容較大的物質(zhì)，其中，水的比熱大，成本低，主要用于低溫儲(chǔ)熱；導(dǎo)熱油、硝酸鹽的沸點(diǎn)比較高，可用于太陽(yáng)能中溫儲(chǔ)熱。
這種蓄熱方式原理簡(jiǎn)單、技術(shù)較成熟、材料來(lái)源豐富且成本低廉，因此廣泛地應(yīng)用于化工、冶金、熱動(dòng)等熱能儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域。但這類材料儲(chǔ)能密度低、不適宜工作在較高溫度環(huán)境中。
2熱化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱
熱化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱是利用可逆化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)熱能與化學(xué)熱的轉(zhuǎn)化來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)能的。
目前已經(jīng)研究過(guò)70多種熱化學(xué)反應(yīng)，但很理想的反應(yīng)體系并不多。典型的熱化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能體系有無(wú)機(jī)氫氧化物分解，氨的分解、碳酸化合物分解、甲烷-二氧化碳催化重整、銨鹽熱分解、有機(jī)物的氫化和脫氫反應(yīng)等。
熱化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能的主要優(yōu)點(diǎn)是蓄熱量大，使用的溫度范圍比較寬，不需要絕緣的儲(chǔ)熱罐，而且如果反應(yīng)過(guò)程能用催化劑或反應(yīng)物控制，可長(zhǎng)期儲(chǔ)存熱量，特別適用于太陽(yáng)能熱發(fā)電中的太陽(yáng)熱能儲(chǔ)存。但該技術(shù)實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)與儲(chǔ)熱系統(tǒng)的結(jié)合還處于研究階段，距離規(guī)模應(yīng)用尚遠(yuǎn)。
3相變儲(chǔ)熱
相變儲(chǔ)熱是利用相變材料在物態(tài)變化時(shí)，吸收或放出大量潛熱而進(jìn)行的。通常按照相變形式和相變溫度的不同，相變儲(chǔ)熱材料可進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分。
按相變形式分類
根據(jù)相變形式的不同，相變材料可分為固-固相變、固-液相變、固-氣相變和液-氣相變。其中固-氣相變和液-氣相變兩種形式，雖有很大的相變潛熱，但由于相變過(guò)程中大量氣體的存在，使材料體積變化較大，難以實(shí)際應(yīng)用。固-固相變、固-液相變是研究和實(shí)際中采用較多的相變類型。然而，固-固相變儲(chǔ)能材料的開發(fā)時(shí)間相對(duì)較短，大量的研究工作還沒深入開展，因此其應(yīng)用范圍沒有固-液相變材料寬廣。固-液相變儲(chǔ)能材料的研究起步較早，是現(xiàn)行研究中相對(duì)成熟的一類相變材料，本文將主要針對(duì)固-液相變儲(chǔ)熱進(jìn)行分析與討論。
備注：過(guò)冷現(xiàn)象，是指物質(zhì)冷凝到“冷凝點(diǎn)”時(shí)并不結(jié)晶，而需到“冷凝點(diǎn)”以下的一定溫度時(shí)才開始結(jié)晶，同事使溫度迅速上升到冷凝點(diǎn)，導(dǎo)致物質(zhì)不能及時(shí)發(fā)生相變，從而影響熱量的及時(shí)釋放和利用。
相分離現(xiàn)象，是指當(dāng)溫度上升時(shí)，相變材料，如結(jié)晶水合鹽，所釋放出來(lái)的結(jié)晶水的數(shù)量不足以溶解所有的非晶態(tài)固體脫水鹽（或低水合物鹽），由于密度的差異，這些未溶脫水鹽沉降到容器的底部，在逆相變過(guò)程中，即溫度下降時(shí)，沉降到底部的脫水鹽無(wú)法和結(jié)晶水結(jié)合而不能重新結(jié)晶，使得相變過(guò)程不可逆，形成相分層，導(dǎo)致溶解的不均勻性，從而造成儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)能能力逐漸下降。
按相變溫度分類
按照相變溫度范圍的不同，相變材料又分為高溫、中溫、低溫相變儲(chǔ)熱材料。各溫度范圍間并沒有明顯清晰的界限，常發(fā)生較大范圍的重疊，但因?qū)嶋H應(yīng)用時(shí)需要儲(chǔ)存的熱源有一定的溫度范圍，這種按相變溫度分類的方法更實(shí)用。一般的，把相變溫度為120℃和400℃作為低、中、高溫相變儲(chǔ)熱材料的溫度節(jié)點(diǎn)。
低溫相變儲(chǔ)熱——相變溫度在120℃以下，此類材料在建筑和日常生活中的應(yīng)用較為廣泛，包括空調(diào)制冷、太陽(yáng)能低溫?zé)崂眉肮┡照{(diào)系統(tǒng)，尤其以熱水應(yīng)用的最為廣泛。這類相變材料主要包括無(wú)機(jī)水合鹽、有機(jī)物和高分子等。在此應(yīng)用溫度范圍內(nèi)的蓄熱技術(shù)基本成熟。
中溫相變儲(chǔ)熱——相變溫度范圍為120～400℃。中溫相變儲(chǔ)熱材料的效率相對(duì)較低，體積和質(zhì)量相對(duì)龐大，適合大規(guī)模應(yīng)用，主要針對(duì)地面民用領(lǐng)域，經(jīng)常作為其他設(shè)備或應(yīng)用場(chǎng)合的加熱源，可用于太陽(yáng)能熱發(fā)電、移動(dòng)蓄熱等相關(guān)領(lǐng)域。這類材料有硝酸鹽、硫酸鹽和堿類。另外，通過(guò)將2種或2種以上無(wú)機(jī)或有機(jī)類相變材料結(jié)合在一起進(jìn)行復(fù)合也是制備中溫相變儲(chǔ)熱材料的一種可行途徑。
高溫相變儲(chǔ)熱——相變溫度在400℃以上，主要應(yīng)用于小功率電站、太陽(yáng)能發(fā)電、工業(yè)余熱回收等方面，一般分為3類：鹽與復(fù)合鹽、金屬與合金和高溫復(fù)合相變材料。
總體而言，熱化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱由于系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)難度大，可操作性不強(qiáng)，目前仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段。顯熱儲(chǔ)熱是目前應(yīng)用最普遍的一種儲(chǔ)熱方式，市場(chǎng)成熟，然而它的儲(chǔ)熱密度小、儲(chǔ)熱裝置體積龐大，因此應(yīng)用前景受限。相比之下，相變儲(chǔ)熱的儲(chǔ)熱密度是顯熱儲(chǔ)熱的5-10倍甚至更高，具有溫度恒定和蓄熱密度大的優(yōu)點(diǎn)，目前正處于示范向商業(yè)化市場(chǎng)轉(zhuǎn)化的階段，也是儲(chǔ)熱領(lǐng)域研究最廣泛、應(yīng)用前景最廣闊的儲(chǔ)熱技術(shù)。
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