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相变材料

十二月 10, 2023

相变材料（英語：phase change material，缩写为：PCM）是指在相变时放出或吸收大量热，以达到加热或降温作用的物质。通常情况下，该物质将在液态和固态间进行转变，但也可以在非传统状态间进行转变，例如从一种结晶态转变为能量更高或更低的另一种结晶态。

图为乙酸钠加热垫（英语：heating pad），当乙酸钠溶液晶化时，放出大量热。
加热垫晶化放热视频

相变材料物质状态改变时所需的熔化热通常远大于其显热（英语：sensible heat），相变温度（PCT）附近融化和凝固时，相变材料可以储存和释放巨大的能量。例如，冰融化成水的熔化热为333.55 J/g，即一克冰需要吸收333.55 J热量才能融化成水。然而一克水吸收4.18 J热量温度升高1度。因此水/冰是一种非常有用的相变材料，自阿契美尼德王朝开始人们就用它在冬天释放热量，在夏天给房子降温。

相变材料可按组成物质种类进行分类。有机相变材料通常从石油、植物或动物上提取，水合盐相变材料通常由海水或矿物中提取。还有一类是固体转变为固体的相变材料。他们在生活中有着广泛的应用，加热垫、电话配电箱冷却和服饰制造等都可以看到相变材料的身影。

特性和分类 编辑

液体→固体、固体→液体、固体→气体和液体→气体的变化过程均可储存潜热，但只有液体→固体和固体→液体变化过程较为现实。尽管液体→气体过程中转换的热量更多，但是气态体积较大，存储需要高压，不易于使用。固态→固态的转变速度十分缓慢，转换的热量相对较少。

固态-液态相变材料在达到相变温度前，其特性与显热（英语：sensible heat）储存材料相似，吸收热量的同时温度逐渐上升。但是当到达相变温度（熔点）时，开始大量吸收热量，但是温度保持不变，材料完全融化后，温度继续上升。当液态材料所处环境温度下降时便开始凝固，释放其所储存的潜热。各种相变材料可供选择，−5到190 °C之间任意相变温度均有对应。[1]而在20-30 °C人体舒适温度范围内，有些材料潜热吸收十分高效，可以达到200 kJ/kg，与之对应的石料的热容一般为1 kJ/kg.°C，因此保持相同温度时每千克材料吸收的热量是石料的200倍。[2]水的比热容为4.21 kJ/kg.°C，该材料存储密度为水的12.5倍至50倍之间。

有机相变材料 编辑

碳氢化合物，主要是石蜡(CnH2n+2)和脂质类物质，也有一种是糖醇。[3][4][5]

  • 优点
    • 凝固时没有过冷效应
    • 能够一致地融化
    • 自成核性质
    • 与常规结构材料相容性好
    • 没有隔离
    • 化学性质稳定
    • 安全、无反应
  • 缺点
    • 固态导热系数低，冷冻过程中需要保持高传热率。已发现的发现纳米复合材料可有效将热导率提高216％[6][7]
    • 体积潜热储存容量可能较低
    • 易燃，置于专门的容器中可以有效隔离。

非有机相变材料 编辑

水合盐 (MxNyH2O) [8]

  • 优点
    • 体积潜热储存容量高
    • 易于获取，成本低
    • 高熔点
    • 热传导率高
    • 熔化热高
    • 不可燃
  • 缺点
    • 融化不一致，容易出现相位分离[9]
    • 对大多数材料有腐蚀性[10][11][12]可以封装在不与之反应的塑料内克服
    • 某些混合物体积变化很大
    • 固态到液态转变过程中出现的过冷现象是个麻烦，需要使用成核剂，反复使用后可能不再起作用
 
共晶水合盐相变材料与成核剂和胶凝剂。应用于被动温度稳定，为建筑暖通系统节能。[13]

应用 编辑

 
治疗新生儿窒息（英语：birth asphyxia）时在手术台上铺设相变材料[14][15]
 
防凝保护系统（英语：Ice protection system）凝固态转变液体材料(S-PSL),[16] a class of phase change materials.

应用领域[1][17]包括并不局限于：

  • 储热（英语：Thermal energy storage）
  • 太阳能锅
  • 冷能电池（英语：Cold Energy Battery）
  • 建筑温控
  • 发动机和电机降温
  • 制冷：食物、饮料、咖啡、葡萄酒、奶制品、温室
  • 延缓表面凝霜[16]
  • 医疗器械：血液运输、操作台、热治疗、新生儿窒息治疗[14]
  • 笨重的衣服或服装下的人体冷却.
  • 废热回收
  • 错峰（英语：Off-peak）电力利用：加热、冷却水
  • 熱泵系统
  • 被动存储綠色建築(HDPE（英语：High-density polyethylene）、石蜡)
  • 缓和化学反应放热过程中的温度峰值
  • 太陽能發電站
  • 航天器温控系统
  • 车辆熱舒適性
  • 电子仪器溫度保險絲
  • 服装用纺织品
  • 电脑硬件冷却
  • 带有热能储存功能的的涡轮机入风口冷却
  • 热带地区的电信设备保护

参见 编辑

热导管

  • Raoux, S. Phase Change Materials. Annual Review of Materials Research. 2009, 39: 25–48. Bibcode:2009AnRMS..39...25R. doi:10.1146/annurev-matsci-082908-145405. 
  • Phase Change Matters （页面存档备份，存于互联网档案馆） (industry blog)

参考资料 编辑

  1. ^ 1.0 1.1 Kenisarin, M; Mahkamov, K. Solar energy storage using phase change materials. Renewable and Sustainable –1965. 2007, 11 (9): 1913–1965. doi:10.1016/j.rser.2006.05.005. 
  2. ^ Sharma, Atul; Tyagi, V.V.; Chen, C.R.; Buddhi, D. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2009, 13 (2): 318–345. doi:10.1016/j.rser.2007.10.005. 
  3. ^ "Heat storage systems" （页面存档备份，存于互联网档案馆） (PDF) by Mary Anne White, brings a list of advantages and disadvantages of Paraffin heat storage. A more complete list can be found in AccessScience （页面存档备份，存于互联网档案馆） website from McGraw-Hill, DOI 10.1036/1097-8542.YB020415, last modified: March 25, 2002 based on 'Latent heat storage in concrete II, Solar Energy Materials, Hawes DW, Banu D, Feldman D, 1990, 21, pp.61–80.
  4. ^ Floros, Michael C.; Kaller, Kayden L. C.; Poopalam, Kosheela D.; Narine, Suresh S. Lipid derived diamide phase change materials for high temperature thermal energy storage. Solar Energy. 2016-12-01, 139: 23–28. Bibcode:2016SoEn..139...23F. doi:10.1016/j.solener.2016.09.032. 
  5. ^ Agyenim, Francis; Eames, Philip; Smyth, Mervyn. Experimental study on the melting and solidification behaviour of a medium temperature phase change storage material (Erythritol) system augmented with fins to power a LiBr/H2O absorption cooling system. Renewable Energy. 2011-01-01, 36 (1): 108–117. doi:10.1016/j.renene.2010.06.005. 
  6. ^ Fleishcher, A.S. Improved heat recovery from paraffn-based phase change materials due to the presence of percolating graphene networks. Improved Heat Recovery from Paraffn-based Phase Change Materials Due to the Presence of Percolating Graphene Networks. 2014, 79: 324–333. 
  7. ^ (2015). Thermal energy storage using phase change materials: fundamentals and applications. Springer
  8. ^ Phase Change Energy Solutions https://id.elsevier.com/as/authorization.oauth2?platSite=SD%2Fscience&scope=openid+email+profile+els_auth_info+urn%3Acom%3Aelsevier%3Aidp%3Apolicy%3Aproduct%3Ainst_assoc&response_type=code&redirect_uri=https%3A%2F%2Fwww.sciencedirect.com%2Fuser%2Fidentity%2Flanding&authType=SINGLE_SIGN_IN&prompt=none&client_id=SDFE-v3&state=retryCounter%3D0%26csrfToken%3D7b73d88c-a46a-4ce5-8a58-7a21b367a560%26idpPolicy%3Durn%253Acom%253Aelsevier%253Aidp%253Apolicy%253Aproduct%253Ainst_assoc%26returnUrl%3Dhttps%253A%252F%252Fwww.sciencedirect.com%252Ftopics%252Fengineering%252Fsalt-hydrate%26prompt%3Dnone%26cid%3Dtpp-9ec8e252-5eaf-44ce-a8d4-838d9800b9b3. [February 28, 2018].  缺少或|title=为空 (帮助)
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  11. ^ A. Sharma; V. Tyagi; C. Chen; D. Buddhi. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews. February 2009, 13 (2): 318–345. doi:10.1016/j.rser.2007.10.005. 
  12. ^ Sharma, Someshower Dutt; Kitano, Hiroaki; Sagara, Kazunobu. Phase Change Materials for Low Temperature Solar Thermal Applications (PDF). Res. Rep. Fac. Eng. Mie Univ. 2004, 29: 31–64 [2020-06-27]. （原始内容 (PDF)于2020-06-27）. 
  13. ^ Infinite R™. Insolcorp, Inc. [2017-03-01]. （原始内容于2020-12-02）. 
  14. ^ 14.0 14.1 Aravind, Indulekha; Kumar, KP Narayana. How two low-cost, made-in-India innovations MiraCradle & Embrace Nest are helping save the lives of newborns. timesofindia-economictimes. 2015-08-02 [2020-06-27]. （原始内容于2020-08-20）. 
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  16. ^ 16.0 16.1 Chatterjee, Rukmava; Beysens, Daniel; Anand, Sushant. Delaying Ice and Frost Formation Using Phase-Switching Liquids. Advanced Materials. 2019, 0 (17): 1807812. ISSN 1521-4095. PMID 30873685. doi:10.1002/adma.201807812   （英语）. 
  17. ^ Omer, A. Renewable building energy systems and passive human comfort solutions. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2008, 12 (6): 1562–1587. doi:10.1016/j.rser.2006.07.010. 

来源 编辑

  • PHASE CHANGE MATERIAL (PCM) BASED ENERGY STORAGE MATERIALS AND GLOBAL APPLICATION EXAMPLES

Zafer URE M.Sc., C.Eng. MASHRAE HVAC Applications （页面存档备份，存于互联网档案馆）

  • Phase Change Material Based Passive Cooling Systems Design Principal and Global Application Examples

Zafer URE M.Sc., C.Eng. MASHRAE Passive Cooling Application （页面存档备份，存于互联网档案馆）

十二月 10, 2023
相变材料, 英語, phase, change, material, 缩写为, 是指在相变时放出或吸收大量热, 以达到加热或降温作用的物质, 通常情况下, 该物质将在液态和固态间进行转变, 但也可以在非传统状态间进行转变, 例如从一种结晶态转变为能量更高或更低的另一种结晶态, 图为乙酸钠加热垫, 英语, heating, 当乙酸钠溶液晶化时, 放出大量热, source, source, source, source, source, source, source, 加热垫晶化放热视频物质状态改变时所需的熔化热通常. 相变材料 英語 phase change material 缩写为 PCM 是指在相变时放出或吸收大量热 以达到加热或降温作用的物质 通常情况下 该物质将在液态和固态间进行转变 但也可以在非传统状态间进行转变 例如从一种结晶态转变为能量更高或更低的另一种结晶态 图为乙酸钠加热垫 英语 heating pad 当乙酸钠溶液晶化时 放出大量热 source source source source source source source 加热垫晶化放热视频相变材料物质状态改变时所需的熔化热通常远大于其显热 英语 sensible heat 相变温度 PCT 附近融化和凝固时 相变材料可以储存和释放巨大的能量 例如 冰融化成水的熔化热为333 55 J g 即一克冰需要吸收333 55 J热量才能融化成水 然而一克水吸收4 18 J热量温度升高1度 因此水 冰是一种非常有用的相变材料 自阿契美尼德王朝开始人们就用它在冬天释放热量 在夏天给房子降温 相变材料可按组成物质种类进行分类 有机相变材料通常从石油 植物或动物上提取 水合盐相变材料通常由海水或矿物中提取 还有一类是固体转变为固体的相变材料 他们在生活中有着广泛的应用 加热垫 电话配电箱冷却和服饰制造等都可以看到相变材料的身影 目录 1 特性和分类 1 1 有机相变材料 1 2 非有机相变材料 2 应用 3 参见 4 参考资料 5 来源特性和分类 编辑液体 固体 固体 液体 固体 气体和液体 气体的变化过程均可储存潜热 但只有液体 固体和固体 液体变化过程较为现实 尽管液体 气体过程中转换的热量更多 但是气态体积较大 存储需要高压 不易于使用 固态 固态的转变速度十分缓慢 转换的热量相对较少 固态 液态相变材料在达到相变温度前 其特性与显热 英语 sensible heat 储存材料相似 吸收热量的同时温度逐渐上升 但是当到达相变温度 熔点 时 开始大量吸收热量 但是温度保持不变 材料完全融化后 温度继续上升 当液态材料所处环境温度下降时便开始凝固 释放其所储存的潜热 各种相变材料可供选择 5到190 C之间任意相变温度均有对应 1 而在20 30 C人体舒适温度范围内 有些材料潜热吸收十分高效 可以达到200 kJ kg 与之对应的石料的热容一般为1 kJ kg C 因此保持相同温度时每千克材料吸收的热量是石料的200倍 2 水的比热容为4 21 kJ kg C 该材料存储密度为水的12 5倍至50倍之间 有机相变材料 编辑 碳氢化合物 主要是石蜡 CnH2n 2 和脂质类物质 也有一种是糖醇 3 4 5 优点 凝固时没有过冷效应 能够一致地融化 自成核性质 与常规结构材料相容性好 没有隔离 化学性质稳定 安全 无反应 缺点 固态导热系数低 冷冻过程中需要保持高传热率 已发现的发现纳米复合材料可有效将热导率提高216 6 7 体积潜热储存容量可能较低 易燃 置于专门的容器中可以有效隔离 非有机相变材料 编辑 水合盐 MxNyH2O 8 优点 体积潜热储存容量高 易于获取 成本低 高熔点 热传导率高 熔化热高 不可燃 缺点 融化不一致 容易出现相位分离 9 对大多数材料有腐蚀性 10 11 12 可以封装在不与之反应的塑料内克服 某些混合物体积变化很大 固态到液态转变过程中出现的过冷现象是个麻烦 需要使用成核剂 反复使用后可能不再起作用 nbsp 共晶水合盐相变材料与成核剂和胶凝剂 应用于被动温度稳定 为建筑暖通系统节能 13 应用 编辑 nbsp 治疗新生儿窒息 英语 birth asphyxia 时在手术台上铺设相变材料 14 15 nbsp 防凝保护系统 英语 Ice protection system 凝固态转变液体材料 S PSL 16 a class of phase change materials 应用领域 1 17 包括并不局限于 储热 英语 Thermal energy storage 太阳能锅 冷能电池 英语 Cold Energy Battery 建筑温控 发动机和电机降温 制冷 食物 饮料 咖啡 葡萄酒 奶制品 温室 延缓表面凝霜 16 医疗器械 血液运输 操作台 热治疗 新生儿窒息治疗 14 笨重的衣服或服装下的人体冷却 废热回收 错峰 英语 Off peak 电力利用 加热 冷却水 熱泵系统 被动存储綠色建築 HDPE 英语 High density polyethylene 石蜡 缓和化学反应放热过程中的温度峰值 太陽能發電站 航天器温控系统 车辆熱舒適性 电子仪器溫度保險絲 服装用纺织品 电脑硬件冷却 带有热能储存功能的的涡轮机入风口冷却 热带地区的电信设备保护参见 编辑热导管 Raoux S Phase Change Materials Annual Review of Materials Research 2009 39 25 48 Bibcode 2009AnRMS 39 25R doi 10 1146 annurev matsci 082908 145405 Phase Change Matters 页面存档备份 存于互联网档案馆 industry blog 参考资料 编辑 1 0 1 1 Kenisarin M Mahkamov K Solar energy storage using phase change materials Renewable and Sustainable 1965 2007 11 9 1913 1965 doi 10 1016 j rser 2006 05 005 Sharma Atul Tyagi V V Chen C R Buddhi D Review on thermal energy storage with phase change materials and applications Renewable and Sustainable Energy Reviews 2009 13 2 318 345 doi 10 1016 j rser 2007 10 005 Heat storage systems 页面存档备份 存于互联网档案馆 PDF by Mary Anne White brings a list of advantages and disadvantages of Paraffin heat storage A more complete list can be found in AccessScience 页面存档备份 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Percolating Graphene Networks 2014 79 324 333 2015 Thermal energy storage using phase change materials fundamentals and applications Springer Phase Change Energy Solutions https id elsevier com as authorization oauth2 platSite SD 2Fscience amp scope openid email profile els auth info urn 3Acom 3Aelsevier 3Aidp 3Apolicy 3Aproduct 3Ainst assoc amp response type code amp redirect uri https 3A 2F 2Fwww sciencedirect com 2Fuser 2Fidentity 2Flanding amp authType SINGLE SIGN IN amp prompt none amp client id SDFE v3 amp state retryCounter 3D0 26csrfToken 3D7b73d88c a46a 4ce5 8a58 7a21b367a560 26idpPolicy 3Durn 253Acom 253Aelsevier 253Aidp 253Apolicy 253Aproduct 253Ainst assoc 26returnUrl 3Dhttps 253A 252F 252Fwww sciencedirect com 252Ftopics 252Fengineering 252Fsalt hydrate 26prompt 3Dnone 26cid 3Dtpp 9ec8e252 5eaf 44ce a8d4 838d9800b9b3 February 28 2018 缺少或 title 为空 帮助 Cantor S DSC study of melting and solidification of salt hydrates Thermochimica Acta 1978 26 1 3 39 47 2020 06 27 doi 10 1016 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Rukmava Beysens Daniel Anand Sushant Delaying Ice and Frost Formation Using Phase Switching Liquids Advanced Materials 2019 0 17 1807812 ISSN 1521 4095 PMID 30873685 doi 10 1002 adma 201807812 nbsp 英语 Omer A Renewable building energy systems and passive human comfort solutions Renewable and Sustainable Energy Reviews 2008 12 6 1562 1587 doi 10 1016 j rser 2006 07 010 来源 编辑PHASE CHANGE MATERIAL PCM BASED ENERGY STORAGE MATERIALS AND GLOBAL APPLICATION EXAMPLESZafer URE M Sc C Eng MASHRAE HVAC Applications 页面存档备份 存于互联网档案馆 Phase Change Material Based Passive Cooling Systems Design Principal and Global Application ExamplesZafer URE M Sc C Eng MASHRAE Passive Cooling Application 页面存档备份 存于互联网档案馆 取自 https zh wikipedia org w index php title 相变材料 amp oldid 72313685, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，

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