因此,如果想要更好地利用无机相变材料,必须通过一定手段和方法对其进行改性,从而让材料性能更加突出,可以更好地被利用。
1.3 水合盐类无机相变材料
1.3.1 水合盐类无机相变材料的种类
无机相变材料中最典型的就是:Na2SO4•10H2O、CH3COONa•3H2O和CaCl2•6H20这三种,这三种材料都具有导热系数大、融解热较大、贮热密度大、相变体积变化小、毒性小、价格便宜等优点。然而在实际生产与保存中,由于Na2SO4•10H2O的熔点为32℃,不适用高温环境下的保存,也不利于高温条件的性能测试,而CaCl2•6H20在空气中容易发生潮解,与空气接触后容易变质,通常要在密封条件下保存,所以本实验中选择性能相对稳定的CH3COONa•3H2O来进行研究。
1.3.2 水合盐类无机相变材料蓄能机理
早在上世纪80年代,无机盐相变材料就已经被开始重视和利用,很多公司已经开始着手于产品的研发,其中不乏西门子和三菱这样的商业巨头。
近些年,随着科学技术的飞速发展,和环境问题的日益严峻,关于相变材料蓄能的研究越来越多,其中,无机水合盐作为目前中低温广泛应用的蓄能相变材料,已经在太阳房采暖、家电等方面投入使用。
就相变材料而言,无机盐的潜热(250-400kJ/dm3)近似为有机物(128-200 kJ/dm3)的两倍,同时无机盐相变材料很容易获得,对环境污染小。但是水合盐类相变材料大都存在较严重的过冷和相分离问题,随着科研成果的逐渐更新,这些问题仅仅得到了部分解决,仍然需要大量的科研工作投身其中。
根据相变理论,产生相变需要一定的过冷度来作为结晶的驱动力,换言之就是进行相变所需做的功。根据非均匀成核机理,在无机水合盐类相变材料中加入成核剂是降低水合盐过冷度的有效方法。
水合盐为主体的相变材料,多次反复的相变过程中,容易出现相分离现象,储热性能会下降,直至相变体发生破坏。根据研究显示,加入分散剂可对其结晶环境进行改善,有效控制其相分离的行为,从而有利于相变的发生,达到提升蓄热的目的。
1.3.3 水合盐类无机相变材的存在问题
(一)过冷现象
过冷现象是一种很常见的物理现象,指的是当温度降低到相变温度时,气态或者液态的物质不会发生相变过程,而需要继续降温到某一个温度点才能使其有足够的动力发生相变过程。就这种处于凝固点以下但并未发生相变的液体而言,往往自身处于亚稳定状态,需要通过特定的“诱导因素”来诱导其结晶过程的发生,这些“诱导因素”包括晶核的出现,以及一些震动等因素。对于无机盐相变材料而言,过冷现象十分普遍,而且过冷的温度范围从几度到几十度都有。这种现象在实际应用中会严重影响相变材料的性能,因此,必须采取一定的措施来改善这种现象。
常用的降低过冷的方法有:(1)添加成核剂(2)震动
添加成核剂,常用的成核剂主要有三种:同型、同构、取向附生。通常采用的方法是利用结构相似的成核剂,让晶体能够在结构相似的成核剂上完成结晶生长过程,从而可以打破这种亚稳定状态,有效改善过冷现象。
震动法则是依靠外界条件,破环晶体内环境的稳态,促使结晶过程的发生。这种方法主要有搅拌和超声波干扰等,通常,这种方法可以使得体系内物质分布更均衡,潜热利用效果更好。
(二)相分离现象
相分离现象,是指在反复多次的冷热相转变过程中,由于温度升高,水合物受热时,通常倾向于转变成含结晶水较少或者不含结晶水的盐,而这些水合盐或者不含结晶水的脱水盐会重新溶解在相变过程产生的结晶水中,但溶解可能是不完全发生,经过多次冷热循环导致溶液浓度不断升高,此时,脱水盐或者含较少结晶水的盐便在重力影响下沉积在体系的底部,并被接触面形成的晶体隔开,不再进行物质交换和溶解结晶,形成分层现象。经过多次循环后,体系中的分层现象严重,将会导致储能效率大大降低,从而致使完全失去储能功能。
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