改善石蠟相變材料導(dǎo)熱性能的研究進(jìn)展

戴 琴，周 莉，朱 月，黃 飛

（遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

改善石蠟相變材料導(dǎo)熱性能的研究進(jìn)展

戴 琴，周 莉，朱 月，黃 飛

（遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

近年來石蠟作為一種相變儲能材料受到越來越多的關(guān)注，由于石蠟 PCM 本身的導(dǎo)熱系數(shù)偏低，導(dǎo)致儲能系統(tǒng)在吸熱或放熱過程中的有效熱率極低，熱量無法快速有效地進(jìn)行存儲和釋放。因此，提高石蠟 PCM的導(dǎo)熱系數(shù)成為了近年來的研究重點(diǎn)。主要從翅片結(jié)構(gòu)、組合相變材料、復(fù)合相變材料、相變材料微膠囊化這幾個方面總結(jié)了在改善石蠟PCM導(dǎo)熱性能方面的國內(nèi)外研究狀況。

石蠟；相變材料；導(dǎo)熱性能

溫室效應(yīng)、急劇加重的環(huán)境污染和燃油價格上漲等，極大地推動了能源存儲有效利用的研究。能源存儲不僅能夠減少供給和需求之間的不平衡，而且還可以提高能量系統(tǒng)的性能和可靠性，它在存儲能量方面起著很重要的作用。相變材料(Phase change materials，PCMs)是近年發(fā)展起來的一類高新技術(shù)材料，在其相變過程中產(chǎn)生吸熱和放熱效應(yīng)可進(jìn)行熱能儲存和溫度調(diào)控。有機(jī)類相變儲能材料具有無過冷及析出、性能穩(wěn)定、無毒性、無腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，在儲能領(lǐng)域受到研究者的廣泛關(guān)注。目前使用最多的有機(jī)相變材料是石蠟，其相變潛熱量大、相變溫度范圍廣、價格低的優(yōu)點(diǎn)，使其在相變儲能材料中應(yīng)用較為廣泛。但石蠟類有機(jī) PCM 仍存在導(dǎo)熱系數(shù)小的缺點(diǎn)，因而有效克服其缺點(diǎn)，改善相變材料的應(yīng)用，一直是石蠟相變材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。

本文主要從翅片結(jié)構(gòu)、組合相變材料、復(fù)合相變材料、相變材料微膠囊化方面總結(jié)了在改善石蠟相變材料導(dǎo)熱性能方面的國內(nèi)外研究狀況。目前，改善石蠟 PCM 導(dǎo)熱性能的方式主要有以下幾個方面[1-4]。

1 改善石蠟 PCM 導(dǎo)熱性能

1.1 翅片結(jié)構(gòu)改善導(dǎo)熱性能

翅片結(jié)構(gòu)用于石蠟 PCM 中主要是為了擴(kuò)大傳熱面積，減少熱邊界層厚度以降低熱阻，進(jìn)一步改善石蠟PCM的導(dǎo)熱性能。

凌空[5]等采用有限體積法并選用石蠟 RT54 相變材料對帶有環(huán)狀翅片的管式相變儲熱器的蓄熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)對傳熱速率產(chǎn)生主要影響的因素是翅片間距，翅片厚度對其影響則較小。遲蓬濤[6]等制作了翅片厚度分別為 0.5、0.8 和 1.0 mm的翅片－泡沫銅/石蠟，其等效導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到 11.4 W/(m?K)，而且在相同熱流密度下，相對于未采用翅片的裝置來說采用翅片的裝置熱源與散熱面的最大溫差降低 73.2%～90.0%。F. Talati[7]研究了橫向金屬翅片位于矩形存儲內(nèi)部時施加恒定熱流于垂直壁面相變材料的凝固過程，證明了翅片的數(shù)量、長度、間距能夠影響相變材料的導(dǎo)熱性能。

1.2 組合相變材料改善導(dǎo)熱性能

組合相變材料是依據(jù)理想“均勻等速相變傳熱”理論[8]將不同相變溫度的相變材料按照一定方式組合起來，以改善石蠟相變材料的導(dǎo)熱性能。

王劍鋒[9]等建立了組合式柱內(nèi)封裝相變材料熔化—固化循環(huán)相變儲熱系統(tǒng)的物理模型，并運(yùn)用有限差分法進(jìn)行數(shù)值模擬求解，研究結(jié)果顯示，在選用三種石蠟作相變材料時，其儲熱能力與傳統(tǒng)的單一相變材料相比，在最佳匹配工況條件下傳熱率最大，相變速率相應(yīng)提高 15%～25%。S. Shaikh[10]等結(jié)合在不同配置的組合 PCM 板對流擴(kuò)散相變傳熱過程，采用二維控制體積的基礎(chǔ)數(shù)值方法進(jìn)行研究，通過與單一 PCM 板進(jìn)行比較分析，在潛熱儲能系統(tǒng)采用組合相變材料可以改善導(dǎo)熱性能。

1.3 復(fù)合相變材料改善導(dǎo)熱性能

1.3.1 與金屬復(fù)合

金屬材料具有高強(qiáng)度、延展性好、導(dǎo)電性好、導(dǎo)熱性強(qiáng)等優(yōu)異性能，研究者為改善相變儲能材料的導(dǎo)熱性能，采用了不同方法將石蠟相變材料與金屬復(fù)合制備高性能復(fù)合相變材料。

張巖琛[11]等構(gòu)建與模擬了雙溫度分布函數(shù)的格子 Boltzmann 方程表征泡沫金屬與相變材料融化傳熱，模擬結(jié)果與計算結(jié)果吻合較好，孔隙率的減少有利于增強(qiáng)金屬熱傳導(dǎo)換熱的作用，但也會導(dǎo)致自然對流傳熱的降低及相變材料蓄熱量的減少。J.P. Trelles[12]等基于矩陣焓方法三維有限體積離散化數(shù)值模擬了具有不同間距鋁基體材料的多孔潛熱熱能存儲熱學(xué)制冷裝置，選用 0.6、0.8、1.0 三個不同孔隙度配置鋁矩陣，研究發(fā)現(xiàn)，鋁低孔隙度降低了有效的能量存儲能力，而高孔隙度則會提高其能量存儲能力，孔隙度值接近 0.8(80%PCM，20%Al)時可以較好的改善系統(tǒng)的導(dǎo)熱性能。

1.3.2 與碳纖維材料復(fù)合

由于碳纖維具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，耐腐蝕能力很強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)高，能與絕大多數(shù)相變材料相容，使它可能成為最優(yōu)良的改善石蠟相變材料導(dǎo)熱性能的物質(zhì)。

李敏[13]等通過碳纖維與甘二烷的物理混合制備了相變復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)碳纖維能有效地改善甘二烷的導(dǎo)熱性能，隨著碳纖維摻量的增加，甘二烷的儲熱放熱速率也隨之增加：摻雜碳纖維后，甘二烷的熔點(diǎn)從 40.2 ℃增加至 50.8 ℃；摻雜 6%的碳纖維升溫所需時間從 720 s 降至 660 s；摻雜 10%的碳纖維升溫所需時間從 720 s 降至 600 s。Cui[14]等在60 ℃條件下將 1、2、5、10%(wt)的碳納米材料（CNF）和碳納米管（CNT）摻雜到大豆蠟和石蠟相變材料中，實(shí)驗結(jié)果表明，CNF 和CNT都可以提高相變材料的導(dǎo)熱性能，而由于CNF能夠更好的分散在基質(zhì)中，在提高相變材料導(dǎo)熱性能方面比 CNT 更為有效。

1.3.3 與石墨復(fù)合

石墨具有高比表面積和高導(dǎo)熱性能，可以將石蠟相變材料與石墨復(fù)合制備復(fù)合相變儲能材料，用來改善石蠟 PCM 的導(dǎo)熱系數(shù)和傳熱速率，近年來其研究受到了研究者的廣泛關(guān)注。

胡小冬[15]等以石蠟為相變材料，利用膨脹石墨多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過物理吸附法制備出石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料，并通過模壓法制成定形相變材料板塊，得到 80%(wt)的石蠟/膨脹石墨定形相變材料熱穩(wěn)定性較好，相變溫度為 27.27 ℃，相變熱焓為156.6 kJ/kg，導(dǎo)熱系數(shù)為 9.795 W/(m?K)，相比于純石蠟提高了 34.5 倍。肖鑫[16]等采用真空注入法制備了泡沫石墨/石蠟復(fù)合相變材料，并與非真空注入法制備的復(fù)合相變材料進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，真空注入法是制備多孔基材復(fù)合相變材料的有效方法，真空法得到的復(fù)合相變材料的有效熱導(dǎo)率較純石蠟提高了近 311 倍。

1.3.4 與納米材料復(fù)合

納米材料具有比表面積大、高導(dǎo)熱系數(shù)、特異納米效應(yīng)等優(yōu)異理化性質(zhì)，將納米材料應(yīng)用在石蠟PCM 方面能大幅度提高其導(dǎo)熱性能和應(yīng)用效果。

王繼芬[17]等通過將納米氧化鋅顆粒加入至熔融的石蠟中制備了納米 ZnO/PW 復(fù)合相變儲能材料，在固相和液相下，與同溫度下純石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)相比，5%ZnO 復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高 14%和29%。V. Kumaresan[18]等則是通過在 30 ℃條件下將體積分?jǐn)?shù)為 0.15、0.3、0.45 和 0.6%MWCNT 分散在液體石蠟相變材料中道道納米流體相變材料（NFPCM），以提高相變材料的傳熱性能并探討NFPCM 的凝固過程，研究表明，隨著 MWCNT 體積分?jǐn)?shù)的增加其熱導(dǎo)率也會有所提高。此外，NFPCM中摻雜體積分?jǐn)?shù)為 0.6%的 MWCNT，其導(dǎo)熱性能提高約 40%～45%，凝固時間減少 33.63%。

1.4 相變材料微膠囊化改善導(dǎo)熱性能

相變材料微膠囊化（Microencapsulated phase change materials，簡稱為 MEPCMs)是利用微膠囊技術(shù)將有機(jī)相變材料封裝在致密性好且性能穩(wěn)定的聚合物外殼內(nèi)，石蠟 PCM 封裝在微膠囊中時囊壁較薄、粒徑極小、比表面積增大，從而增加了傳熱比表面積，在選擇合適的材料時也可以略改善石蠟相變材料的導(dǎo)熱性能。

鄢瑛[19]原位聚合制備以石蠟為芯材、脲醛樹脂為壁材的微膠囊相變儲能材料，微膠囊相變溫度和相變潛熱分別為 34.10 ℃和 143.8 J/g，熱循環(huán)穩(wěn)定性能良好，而且經(jīng)過20次熱循環(huán)后，相變溫度和相變潛熱的變化也不明顯。G.H. Zhang[20]等合成了核殼比為 80/20 的以聚甲基丙烯酸乙酯(PEMA)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封裝的正十八烷的納米膠囊，制得的膠囊粒徑大小分別為 140 nm、119 nm，PEMA/正十八烷融化焓和結(jié)晶焓分別為 198.5、-197.1 kJ/kg， PMMA/正 十 八 烷 融 化 焓 和 結(jié) 晶 焓 分 別 為208.7、-205.9 kJ/kg，同時 TG 分析表明，納米微膠囊還具有良好的熱穩(wěn)定性。

2 總 結(jié)

綜上所述，現(xiàn)階段改善相變儲能材料導(dǎo)熱的方法多樣，在改善石蠟相變材料的導(dǎo)熱性能方面已取得一定的進(jìn)展。隨著人類社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)的意識越來越強(qiáng)，儲能技術(shù)必然會持續(xù)快速發(fā)展，對石蠟相變材料的研究與應(yīng)用也會不斷深入，但在改善石蠟相變材料導(dǎo)熱性能的研究方面，其機(jī)理尚不明確仍需要進(jìn)一步深入研究，同時制備出低成本、性能優(yōu)異、且能進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的石蠟相變儲能材料也將是研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

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Research Progress in Improving Thermal Conductivity of Paraffin PCM

DAI Qin，ZHOU Li，ZHU Yue，HUANG Fei
（ School of Chemistry and Materials Science, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun113001，China）

In recent years, paraffin as a phase change material received more attention. Thermal conductivity of paraffin phase change materials is low, which leads to low effective rate of heat of the energy storage system during storing and releasing thermal energy, the heat can’t be stored and released quickly and efficiently. Therefore, improving thermal conductivity of paraffin phase change materials become a research emphasis. In this paper, the research situation of improving thermal conductivity of paraffin phase change materials at home and abroad were summarized from several aspects, such as fin structure, multiple phase change materials, composite phase change materials and microencapsulated phase change materials.

Paraffin; Phase change material; Thermal conductivity

TE 626.8

： A文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 1671-0460（2014）07-1257-03

遼寧省自然科學(xué)基金資助項目，項目號： 2013020079。

2013-10-16

戴琴（1990-），女，湖南常德人，在讀碩士，遼寧石油化工大學(xué)分析化學(xué)專業(yè)，研究方向：石蠟儲能相變材料。E-mail：xiaoqin900619@163.com。

周莉（1970-），女，教授，博士。