相变材料

相变材料（也称为相变或 PCM 存储）是一种特殊类型的储热器，它以潜热的形式存储提供给它的大部分热能（例如，从固体到液体的相变）。 储存的热量是隐藏的，因为只要相变没有完全完成，尽管有热量的加入，物质的温度也不会进一步升高。 因此，相变材料可以在相变附近的小温度范围内储存非常大量的热量，并超越仅使用物质显热的储热系统，例如热水储罐。

由于许多具有不同熔点的物质都可以用作相变材料（PCM），因此该技术可以涵盖从低温到高温储热的许多存储应用。 目前最著名的商业应用是冷敷和热敷。

相变材料利用存储介质状态的热力学变化的焓来工作。 最常用的原理是利用固-液相变，反之亦然（凝固-熔化）。

商业相变材料在充填内容物时，通常会熔化特殊的盐类或石蜡作为储存介质，吸收大量的能量（熔化焓），例如磷酸氢二钾六水合物。 放电发生在凝固过程中，存储介质将先前吸收的大量热量作为结晶热释放到环境中。

对于相变材料等技术应用，熔体的过冷通常是不可取的。 因此，必须将合适的成核剂在刚好低于熔点的温度下引起结晶。

三水醋酸钠常用于热敷袋中。 它在 58°C 的熔化温度下液化，这通常是通过将加热包放入沸水中实现的。 加热时，垫子必须完全被水覆盖（水浴），否则局部特别热的盐会熔化袋子。即使在远低于熔点的温度下（可能低至 −20 °C），材料仍保持过冷熔体状态当盐溶解在其结晶水中时处于亚稳态的液体； 水分子形成一种自己的晶格，首先溶解。如果将一块小金属板（类似于点击青蛙中的金属板）压在热垫上，就会触发结晶。 垫再次加热到熔化温度，由此完全结晶和潜热的释放可以持续更长的时间。

过饱和溶液结晶的可能诱因是：

• 按压金属板产生的冲击波
• 由此产生的微观小结晶核的释放，每次结晶都会沉淀在金属的小裂纹中。

压力波解释的一个问题是结晶不是由声波，甚至是超声波在实验上触发的。

也可以使用其他盐水合物，例如 B、熔点32.5℃的芒硝、氢氧化钠或明矾。

这种储热技术的优点是可以在由所用储热材料的熔化温度决定的较小温度范围内，以相对少量的方式储存大量的热能。 然而，如果介质只是被加热，则需要更大的温度范围来储存相当数量的热量。

热垫还利用过冷溶液的亚稳态。 这样就可以把热量储存起来，绝热不流失。

例如，当水凝固或冻结时 - 在 0 °C 时从液态水到固态冰的相变 - 释放的热量大约与将相同量的水从 0 °C 加热到 80 °C 所需的热量一样多。 因此，与比热容相比，比相变焓相对较高（对于水：熔化焓 334 kJ/kg，比热容约为 4.19 kJ/(kg·K)），这意味着能量密度明显更高比热水储罐。 与热泵相结合，水相变材料可以提供热量来蒸发制冷剂，尤其是在供暖季节。

可用热量取决于最高和最低可用工作温度。 它由两个部分组成：

• 比热, 乘以温差
• 在可用温度范围内的相变过程中释放的热量。

熔化温度为 0 °C 的水是不合适的，因为这不在工作范围内。

因此，人们依赖于熔化温度在 40 °C 和 70 °C 之间且具有高熔化焓的物质。 因此，熔化温度约为 60 °C 且熔化焓约为 200 至 240 kJ/kg（水：333 kJ/kg）的硬石蜡非常适合。 凝固时的发热量比水少三分之一左右，但在可用范围内。

例如，可以在金属中实现高温水平的潜热储存。 金属相变材料 (mPCM) 的一个示例是熔化温度为 577°C 的铝硅合金。 由于高温存储的可用工作温度范围更大，因此可以在敏感区域存储更多的热能。 然而，这种具有高熔化温度的材料的比熔化焓也高于水或石蜡。

可逆化学反应的焓的利用，例如基于化学吸附的吸收和解吸过程，遵循类似的原理。 这发生在所谓的热化学储热系统中，该系统可实现更高的能量密度。

基于盐或石蜡的现代相变材料具有针对不同应用而开发的物理特性，并且几乎适用于所有温度范围。 它们用于美食的加热板或供暖和建筑材料行业中作为热缓冲建筑材料。

基于盐或石蜡的相变材料也用于车辆技术，例如储存多余的发动机热量并在冷启动时释放。 此外，目前正在开发基于金属相变材料 (mPCM) 的存储系统，用于电动汽车。 具有高能量密度和同时具有出色热性能潜力的存储系统将在未来接管电动汽车的加热能力。 因此，加热所需的能量不必从牵引电池中获取，这可以减少必要的电池容量或增加电动汽车在冬季的续航里程。

相变材料 (PCM) 也用于功能性纺织品。 这使它们能够吸收身体或环境的热量，将其储存并再次释放。 通过这种方式，它们使温度能够在底部和顶部的“舒适区域”中得到缓冲。

当使用相变材料n进行太阳能蓄热供冬季取暖时，投资较高，但与使用水箱或碎石相比，该系统节省了很多空间，而且比这更能均匀地散发热量，因为潜热的利用。