相变材料在绿色储粮中的应用探讨

李玉

摘要：相变材料能够储存或释放显热，在熔化或凝固过程中虽然温度不变但吸收的潜热却相当大。根据相变材料可以吸收环境热能并在需要时向环境发出热能的特征，研究相变材料在粮食仓储中的应用，减小外界环境对粮仓温度的影响，达到恒温绿色生态储粮的目的。

关键词：相变材料；热能；冷能；绿色生态储粮

中图分类号：S229+.3 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）03-0054-02

1 相变储能材料特点

相变材料（Phase Change Materials，PCM）也称相变储能材料，属于能源材料范畴。概括来说，是指能被利用其在物态变化时所吸收（放出）的大量热能用于能量储存的材料。简单说，就是指那些在相变时储能密度高、性能稳定、相变温度适合和性价比优良，能够被用于相变储能技术的材料。

相变储能技术是以相变储能材料为基础的高新技术，储能密度大且输出的温度、能量相当稳定，具有显热储能无法比拟的优势。储能技术可解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，是提高能源利用率的有效手段。能量储存方式包括机械能、电磁能、化学能和热能储存等。热能储存又包括显热储存和潜热储存，显热储存是利用材料所固有的热容进行的；潜热储存又称相变储能，是利用被称为相变材料的物质在物态变化时吸收或放出大量潜热进行的。

相变储能材料是基础，因此，相变储能技术领域首先研究和开发相变潜热大、性能稳定和性价比高的相变材料。其次是应用相变材料，主要涉及储能元件、储能换热器和储能系统的相变传热，相变材料与换热流体的对流耦合换热，材料的腐蚀与防护，系统设计等方面。除对传统的无机盐、无机水合盐、有机和金属相变材料进行研究外，近年来，对新相变储能材料的研制呈现从无机到有机、从单一成分到复合材料、从宏观到纳米/微胶囊化的趋势，定形相变材料、相变材料微胶囊化、功能储能流体等及其在建筑、太阳能等领域的应用成为研究热点。但在粮食行业的应用还处于空白状态，有待研究探讨。

2 绿色储粮现状与存在的问题

绿色生态储粮技术，即以储粮生态学为理论基础，在粮食储藏过程中尽量少用或不用化学药剂，以调控储粮生态因子为主要手段，从而保护环境、避免储粮污染、确保储粮安全、使人们吃到新鲜营养可口无毒放心粮的技术。

粮食低温储藏技术是绿色生态储粮技术的首选应用方法和主要发展方向。目前，储粮仓大多存在仓体与仓顶隔热效果差、易受外界条件影响等缺点，粮食表层温度易受其影响，对绿色生态储粮极为不利。所以在绿色储粮过程中，应重点解决粮食在大型仓储库房内散储时存在的粮堆温差变化大、仓房保温隔热效果差、温度调控能源消耗大等突出问题。

自20世纪50年代起，我国的粮食仓储科技人员逐步开展利用自然低温以及自然低温辅助机械通风进行低温储粮的研究和实践。随着科技发展，自80年代起，借助制冷剂和空调实现机械制冷的低温储粮技术相继出现，但因受到季节、地域、费用及仓储设施条件等限制，利用自然低温条件及机械制冷设备实现粮食常年低温储藏的技术，在我国至今没有得到大规模推广应用。

直到1998年后，为改善仓储设施，国家利用343亿元国债资金在全国范围内新建500亿kg仓容的国家粮食储备库。这些新建库全部配置了整仓通风系统、粮情检测系统等装备，其中首批国储库建设项目还配备了谷物冷却机，为低温储藏技术在我国进一步推广应用奠定了良好基础。我国初步建立了包括自然低温、机械通风低温、谷物冷却机低温三项主要技术措施和以改造仓房增强隔热保温效果为重点的低温储粮技术体系。低温储粮在我国应用还较少，真正实现全年低温储藏的粮食也很少。究其原因，主要是低温储粮成本过高。为此，有关人员进行了多方面的研究。

3 相变材料在绿色储粮中应用的可行性

通过对相变储能材料在墙体隔热、粮面压盖等部位的能量转换机理研究，揭示相变储能材料在绿色生态储粮温控系统能量转化规律，以及不同季节仓内温度变化规律，提出相变储能材料适合绿色生态储粮调控系统工艺技术参数，确定一种经济适用、能量转化效率高、保温隔热效果好、适于绿色生态储粮温控技术的新材料、新技术。

具有合适的相变温度和较大相变潜热的物质，一般情况下均可作为相变储热材料，但在粮食储藏的应用上必须综合考虑材料的物理和化学稳定性，以及熔融材料凝固时的过冷度对材料的腐蚀性、安全性及价格水平。可应用于粮食储藏的相变储能材料必须是无毒无害的物理材料，目前的应用技术尚不成熟。可应用在粮仓中的相变材料分：无机相变材料、有机相变材料、有机与无机混合相变材料。其优点是：比普通谷物冷冻机成本低，全年温度平稳，不易出现结露、结霜等现象。目前，市面上的相变材料越来越多，可以应用到粮食储藏的相变材料也越来越多，成本会随之降低。

3.1 无机相变材料

该类相变储能材料主要是利用固体状态下不同种晶型的转变进行吸热和放热，通常它们的相变温度较高，适合于高温范围内的储能和控温。优点是使用范围广、价格便宜、导热系数较大、溶解热大、体积储热密度大、一般呈中性。

3.2 有机相变材料

在固体状态时成型性较好，一般不容易出现过冷和相分离现象，材料的腐蚀性较小，性能比较稳定，安全。

3.3 有机与无机混合相变材料

大部分用无机材料来平衡温度，少部分用有机材料进行调整，实现阶梯性降温，这样能降低成本和增加在粮库中应用的推广价值。

在实际应用过程中，要找到满足理想条件的相变材料并不困难。因此人们往往先考虑合适的相变温度和较大的相变热，再考虑各种影响研究和应用的综合性因素。

4 结语

随着科技发展，各行各业都不断有新技术涌出。粮食是关系民生建设的基础，绿色安全的生态储粮技术更是重中之重。在粮食领域，相变储能材料不但可以有效降低仓内温度、改善粮仓环境，也为绿色储粮奠定了基础。因此，相变储能材料在将来必定有着广阔的应用前景和市场需求。

相变储能材料研究正成为世界范围内的研究热点，具有各种不同性能的相变储能材料正在快速地被开发出来，并不断地为这些材料的应用拓展新领域。同时，针对某种应用领域，人们不断地设计相变材料来满足对材料性能的要求。材料与其应用的相互促进作用，在相变储能材料近年来的研究中表现得非常明显。另一方面，针对某种应用领域的要求，不仅要依靠材料研究人员本身的努力，还应该与工艺、结构等方面的研究人员大力合作，使已有材料性能发挥到最佳状态。