改善石蜡相变材料导热性能的研究进展

戴 琴，周 莉，朱 月，黄 飞

（辽宁石油化工大学 化学与材料科学学院， 辽宁 抚顺 113001）

改善石蜡相变材料导热性能的研究进展

戴 琴，周 莉，朱 月，黄 飞

（辽宁石油化工大学 化学与材料科学学院， 辽宁 抚顺 113001）

近年来石蜡作为一种相变储能材料受到越来越多的关注，由于石蜡 PCM 本身的导热系数偏低，导致储能系统在吸热或放热过程中的有效热率极低，热量无法快速有效地进行存储和释放。因此，提高石蜡 PCM的导热系数成为了近年来的研究重点。主要从翅片结构、组合相变材料、复合相变材料、相变材料微胶囊化这几个方面总结了在改善石蜡PCM导热性能方面的国内外研究状况。

石蜡；相变材料；导热性能

温室效应、急剧加重的环境污染和燃油价格上涨等，极大地推动了能源存储有效利用的研究。能源存储不仅能够减少供给和需求之间的不平衡，而且还可以提高能量系统的性能和可靠性，它在存储能量方面起着很重要的作用。相变材料(Phase change materials，PCMs)是近年发展起来的一类高新技术材料，在其相变过程中产生吸热和放热效应可进行热能储存和温度调控。有机类相变储能材料具有无过冷及析出、性能稳定、无毒性、无腐蚀性等优点，在储能领域受到研究者的广泛关注。目前使用最多的有机相变材料是石蜡，其相变潜热量大、相变温度范围广、价格低的优点，使其在相变储能材料中应用较为广泛。但石蜡类有机 PCM 仍存在导热系数小的缺点，因而有效克服其缺点，改善相变材料的应用，一直是石蜡相变材料领域的研究热点[1]。

本文主要从翅片结构、组合相变材料、复合相变材料、相变材料微胶囊化方面总结了在改善石蜡相变材料导热性能方面的国内外研究状况。目前，改善石蜡 PCM 导热性能的方式主要有以下几个方面[1-4]。

1 改善石蜡 PCM 导热性能

1.1 翅片结构改善导热性能

翅片结构用于石蜡 PCM 中主要是为了扩大传热面积，减少热边界层厚度以降低热阻，进一步改善石蜡PCM的导热性能。

凌空[5]等采用有限体积法并选用石蜡 RT54 相变材料对带有环状翅片的管式相变储热器的蓄热过程进行了数值模拟，发现对传热速率产生主要影响的因素是翅片间距，翅片厚度对其影响则较小。迟蓬涛[6]等制作了翅片厚度分别为 0.5、0.8 和 1.0 mm的翅片－泡沫铜/石蜡，其等效导热系数达到 11.4 W/(m•K)，而且在相同热流密度下，相对于未采用翅片的装置来说采用翅片的装置热源与散热面的最大温差降低 73.2%～90.0%。F. Talati[7]研究了横向金属翅片位于矩形存储内部时施加恒定热流于垂直壁面相变材料的凝固过程，证明了翅片的数量、长度、间距能够影响相变材料的导热性能。

1.2 组合相变材料改善导热性能

组合相变材料是依据理想“均匀等速相变传热”理论[8]将不同相变温度的相变材料按照一定方式组合起来，以改善石蜡相变材料的导热性能。

王剑锋[9]等建立了组合式柱内封装相变材料熔化—固化循环相变储热系统的物理模型，并运用有限差分法进行数值模拟求解，研究结果显示，在选用三种石蜡作相变材料时，其储热能力与传统的单一相变材料相比，在最佳匹配工况条件下传热率最大，相变速率相应提高 15%～25%。S. Shaikh[10]等结合在不同配置的组合 PCM 板对流扩散相变传热过程，采用二维控制体积的基础数值方法进行研究，通过与单一 PCM 板进行比较分析，在潜热储能系统采用组合相变材料可以改善导热性能。

1.3 复合相变材料改善导热性能

1.3.1 与金属复合

金属材料具有高强度、延展性好、导电性好、导热性强等优异性能，研究者为改善相变储能材料的导热性能，采用了不同方法将石蜡相变材料与金属复合制备高性能复合相变材料。

张岩琛[11]等构建与模拟了双温度分布函数的格子 Boltzmann 方程表征泡沫金属与相变材料融化传热，模拟结果与计算结果吻合较好，孔隙率的减少有利于增强金属热传导换热的作用，但也会导致自然对流传热的降低及相变材料蓄热量的减少。J.P. Trelles[12]等基于矩阵焓方法三维有限体积离散化数值模拟了具有不同间距铝基体材料的多孔潜热热能存储热学制冷装置，选用 0.6、0.8、1.0 三个不同孔隙度配置铝矩阵，研究发现，铝低孔隙度降低了有效的能量存储能力，而高孔隙度则会提高其能量存储能力，孔隙度值接近 0.8(80%PCM，20%Al)时可以较好的改善系统的导热性能。

1.3.2 与碳纤维材料复合

由于碳纤维具有优良的物理和化学性能，耐腐蚀能力很强，导热系数高，能与绝大多数相变材料相容，使它可能成为最优良的改善石蜡相变材料导热性能的物质。

李敏[13]等通过碳纤维与甘二烷的物理混合制备了相变复合材料，研究发现碳纤维能有效地改善甘二烷的导热性能，随着碳纤维掺量的增加，甘二烷的储热放热速率也随之增加：掺杂碳纤维后，甘二烷的熔点从 40.2 ℃增加至 50.8 ℃；掺杂 6%的碳纤维升温所需时间从 720 s 降至 660 s；掺杂 10%的碳纤维升温所需时间从 720 s 降至 600 s。Cui[14]等在60 ℃条件下将 1、2、5、10%(wt)的碳纳米材料（CNF）和碳纳米管（CNT）掺杂到大豆蜡和石蜡相变材料中，实验结果表明，CNF 和CNT都可以提高相变材料的导热性能，而由于CNF能够更好的分散在基质中，在提高相变材料导热性能方面比 CNT 更为有效。

1.3.3 与石墨复合

石墨具有高比表面积和高导热性能，可以将石蜡相变材料与石墨复合制备复合相变储能材料，用来改善石蜡 PCM 的导热系数和传热速率，近年来其研究受到了研究者的广泛关注。

胡小冬[15]等以石蜡为相变材料，利用膨胀石墨多孔网络结构通过物理吸附法制备出石蜡/膨胀石墨复合相变材料，并通过模压法制成定形相变材料板块，得到 80%(wt)的石蜡/膨胀石墨定形相变材料热稳定性较好，相变温度为 27.27 ℃，相变热焓为156.6 kJ/kg，导热系数为 9.795 W/(m•K)，相比于纯石蜡提高了 34.5 倍。肖鑫[16]等采用真空注入法制备了泡沫石墨/石蜡复合相变材料，并与非真空注入法制备的复合相变材料进行了比较，结果表明，真空注入法是制备多孔基材复合相变材料的有效方法，真空法得到的复合相变材料的有效热导率较纯石蜡提高了近 311 倍。

1.3.4 与纳米材料复合

纳米材料具有比表面积大、高导热系数、特异纳米效应等优异理化性质，将纳米材料应用在石蜡PCM 方面能大幅度提高其导热性能和应用效果。

王继芬[17]等通过将纳米氧化锌颗粒加入至熔融的石蜡中制备了纳米 ZnO/PW 复合相变储能材料，在固相和液相下，与同温度下纯石蜡的导热系数相比，5%ZnO 复合相变材料的导热系数提高 14%和29%。V. Kumaresan[18]等则是通过在 30 ℃条件下将体积分数为 0.15、0.3、0.45 和 0.6%MWCNT 分散在液体石蜡相变材料中道道纳米流体相变材料（NFPCM），以提高相变材料的传热性能并探讨NFPCM 的凝固过程，研究表明，随着 MWCNT 体积分数的增加其热导率也会有所提高。此外，NFPCM中掺杂体积分数为 0.6%的 MWCNT，其导热性能提高约 40%～45%，凝固时间减少 33.63%。

1.4 相变材料微胶囊化改善导热性能

相变材料微胶囊化（Microencapsulated phase change materials，简称为 MEPCMs)是利用微胶囊技术将有机相变材料封装在致密性好且性能稳定的聚合物外壳内，石蜡 PCM 封装在微胶囊中时囊壁较薄、粒径极小、比表面积增大，从而增加了传热比表面积，在选择合适的材料时也可以略改善石蜡相变材料的导热性能。

鄢瑛[19]原位聚合制备以石蜡为芯材、脲醛树脂为壁材的微胶囊相变储能材料，微胶囊相变温度和相变潜热分别为 34.10 ℃和 143.8 J/g，热循环稳定性能良好，而且经过20次热循环后，相变温度和相变潜热的变化也不明显。G.H. Zhang[20]等合成了核壳比为 80/20 的以聚甲基丙烯酸乙酯(PEMA)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封装的正十八烷的纳米胶囊，制得的胶囊粒径大小分别为 140 nm、119 nm，PEMA/正十八烷融化焓和结晶焓分别为 198.5、-197.1 kJ/kg， PMMA/正 十 八 烷 融 化 焓 和 结 晶 焓 分 别 为208.7、-205.9 kJ/kg，同时 TG 分析表明，纳米微胶囊还具有良好的热稳定性。

2 总 结

综上所述，现阶段改善相变储能材料导热的方法多样，在改善石蜡相变材料的导热性能方面已取得一定的进展。随着人类社会科学技术的发展，节约能源和环境保护的意识越来越强，储能技术必然会持续快速发展，对石蜡相变材料的研究与应用也会不断深入，但在改善石蜡相变材料导热性能的研究方面，其机理尚不明确仍需要进一步深入研究，同时制备出低成本、性能优异、且能进行工业化生产的石蜡相变储能材料也将是研究领域的热点。

［1］ M. Delgado. Review on phase change material emulsions and mic roencapsulated phase change material slurries: Materials，heat tra nsfer studies and applications[J]. Renewable and Sustainable Ener gy Reviews，2012，16(1)：253-273.

［2］ L. Fan, J.M. Khodadadi. Thermal conductivity enhancement of phase changematerials for thermal energystorage: A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011，15(1)：24-46．

［3］ A. Sharma,V.V. Tyagi,C.R. Chen. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009，13(2)：318-345．

［4］ 于永生，井强山，孙雅倩．低温相变储能材料研究进展[J].化工进展，2010，29(5)：896-900．

［5］ 凌空，封咏亮，陶文铨．带环状翅片管式相变储热器的数值模拟[J].工程热物理学报，2012，33(8)：1408-1410．

［6］ 迟蓬涛,等．翅片-泡沫铜复合结构的导热增强作用[J].航空动力学报，2012，27(4)：854-860．

［7］ F. Talati, A. H. Mosaffa, M. A. Rosen. Analytical approximation for solidification processes in PCM storage with internal fins: imposed heat flux[J]. Heat Mass Transfer，2011，47(4)：369-376．

［8］ 王永川，陈光明，洪峰，张海峰．组合相变储热材料应用于太阳能供暖系统[J].热力发电，2004，2：7-9．

［9］ 王剑锋，陈光明，陈国邦，欧阳应秀．组合相变材料储热系统的储热速率研究[J].太阳能学报，2000，21(3)：258-264．

［10］S. Shaikh, K. Lafdi. Effect of multiple phase change materials (PCMs) slab configurations on thermal energy storage[J]. Energy Conversion and Management，2006，47(15-16)：2013-2117．

［11］张岩琛，杲东彦，陈振乾．基于格子 Boltzmann 方法的孔隙率对泡沫金属内相变材料融化传热的影响[J]. 东南大学学报，2013，43(1)：94-98．

［12］J.P. Trelles, J.J. Duffy. Numerical simulation of porous latent heat thermal energy storage for thermoelectric cooling[J]. Applied Thermal Engineering，2003，23(13)：1647-64．

［13］李敏，吴智深，陈振乾，彭昌海．碳纤维对甘二烷相变材料热性能的影响[J]. 东南大学学报，2010，26(2)：346- 350．

［ 14］ Yanbin Cui, Caihong Liu, Shan Hu, Xun Yu. The experimental exploration of carbon nanofiber and carbon nanotube additives on thermal behavior of phase change materials[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells.2011，95(4)：1208-1212．

［15］胡小冬，高学农，李得伦，陈思婷．石蜡/膨胀石墨定形相变材料的性能[J/OL]. 化工学报，2013．

［16］肖鑫，张鹏,等．泡沫石墨/石蜡复合相变材料热物性研究[J]. 工程热物理学报，2013，34(3)：530-533．

［17］王继芬，谢华清，辛忠，黎阳，郑琳．纳米 ZnO/石蜡复合相变材料 的 热 物 理 性 质 研 究 [J]. 工 程 热 物 理 学 报 ， 2011 ， 32(11)：1897-1899．

［18］V. Kumaresan,R. Velraj,Sarit K. Das.The effect of carbon nanotubes in enhancing the thermal transport properties of PCM during solidification[J]. Heat and Mass Transfer，2012， 48(8)：1345-1355．

［19］鄢瑛，张会平，刘剑．微胶囊相变材料的制备与特性研究[J].材料导报：研究篇，2009，23(2)：49-54．

［20］G.H. Zhang, S.A.F. Bon, C.Y. Zhao.Synthesis, characterization and thermal properties of novel nanoencapsulated phase change materials for thermal energy storage[J].Solar Energy，2012，86(5)：1149-1154．

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文献标识码： 1671-0460（2014）07-1257-03

辽宁省自然科学基金资助项目，项目号： 2013020079。

2013-10-16

戴琴（1990-），女，湖南常德人，在读硕士，辽宁石油化工大学分析化学专业，研究方向：石蜡储能相变材料。E-mail：xiaoqin900619@163.com。

周莉（1970-），女，教授，博士。