CN103275675A - 离子液体材料作为跨季节相变蓄热材料的应用 - Google Patents

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黄巍
刘新斌
郭翔
朱吉钦
白立光
陈标华
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Abstract

离子液体材料作为跨季节相变蓄热材料的应用，属于离子液体技术领域。将离子液体材料作为跨季节相变蓄热材料，尤其烷基咪唑溴代盐类离子液体，能够克服现有跨季节蓄热材料所具有的易分相、不稳定、易燃、易挥发等缺点。

Description

离子液体材料作为跨季节相变蓄热材料的应用
技术领域
本发明涉及一种可稳定过冷的跨季节蓄热材料，尤其是烷基咪唑溴代盐类离子液体材料作为跨季节相变蓄热材料，其在太阳能、工业废热的跨季节蓄热中的应用，属于离子液体技术领域。
背景技术
太阳能是世界上分布最广泛的、最廉价、无污染的清洁能源，开发和利用前景广阔。但是,太阳能是一种季节性变化和间歇性变化的能源。例如，在热量需求大的冬季可用的太阳能资源较少，而热量需求较小的夏季可用的太阳能资源则较丰富。跨季节太阳能热存储可以解决太阳能在时间和空间上的差异，为更好的利用太阳能提供了很好的解决途径。另外一方面，工业生产过程中很多是高温过程，生产过程完成后剩余大量的废热。如果采用跨季节蓄热的方法将工业废热加以收集储藏，并在合适的时间和地点释放出来，将可以大大减少资源的浪费以及对环境的污染。
在跨季节蓄热中，相变材料的性能具有非常重要的影响。如今，最常用的相变材料包括无机相变材料(六水氯化钙，十水硫酸钠等)和有机相变材料(石蜡，氨基化合物，聚乙二醇，等)。其中，无机相变材料对设备腐蚀性较大，且极易脱去结晶水出现相分离，从而失去相变蓄热性能。有机相变材料则存在易挥发、易燃烧等缺点。对常规的相变蓄热材料，过冷是要极力消除的，这样才能在温度下降到凝固点的时候实现相变放热。而在跨季节蓄热过程中，随着外界气温的降低，蓄热材料的温度也不断下降，一旦外界温度降低到蓄热材料的相变温度，有可能引发蓄热材料结晶凝固而放出热量。如果蓄热材料具有稳定的过冷度，即使温度降低到其理论凝固点，也不会发生结晶凝固，等到需要热量时才在成核剂的激发下结晶放热，从而可以保持了大部分的相变潜热，使热损失较小。
离子液体用于跨季节蓄热的优点是在蓄热时，吸收太阳能或者工业废热使其温度上升，离子液体变成液体状态。当温度降低时，因为离子液体的过冷，不会发生凝固相变，仍以液体的形式存在，因此没有潜热的损失。当需要放出潜热时，加入一些晶体盐作为成核剂激发离子液体发生凝固，释放出相变潜热。
发明内容
本发明的目的是将烷基咪唑溴代盐类离子液体材料作为可稳定过冷的跨季节存储的蓄热材料，其目的在于克服现有跨季节蓄热材料所具有的易分相、不稳定、易燃、易挥发等缺点。
离子液体是由有机阳离子和无机阴离子组成的、在100℃下呈液体状态的熔融盐。其结构介于无机物和有机物之间，不挥发、不燃烧、热稳定性好，导热性好，热容较高，过冷度较大，因此离子液体做为新型跨季节相变蓄热材料具有独特的优势。
离子液体用于跨季节蓄热材料在蓄热时，吸收太阳能或者工业废热使其温度上升，离子液体变成液体状态，当温度降低时，因为离子液体的过冷，不会发生凝固相变，仍以液体的形式存在，没有潜热的损失；当需要放出潜热时，加入成核剂激发离子液体发生凝固，释放出相变潜热。
尤其选择烷基咪唑溴代盐类离子液体材料作为跨季节蓄热材料。
成核剂优选自身固体粉末、铜粉、铁粉、石墨粉、碳纤维等的一种或者几种，加入量为离子液体质量的5～25%。
本发明的烷基咪唑溴代盐类离子液体材料的制备方法如下：首先将1，2-二甲基咪唑或N-甲基咪唑与溴代烷烃加入三口烧瓶中，甲基咪唑与溴代烷烃的摩尔比为1：1.5～1：3.0之间，溴代烷烃的烷烃碳原子数为4～26，既可以是正烷烃，也可以是支链烷烃。然后在50～100℃水浴中加热反应12～48h，得到烷基咪唑溴代盐类离子液体的粗产品，然后用3～4倍体积的甲醇、丙酮或者二氯甲烷中的一种或几种洗涤3～5次，加入1～2倍体积的丙酮升温40～60℃溶解，然后在冷冻条件下结晶，倾去上层液体，重复3～5次至固体样品为白色，在80℃下真空干燥24～48h，得到烷基咪唑溴代盐类离子液体材料。
将制得的跨季节蓄热材料置入方形或者圆柱形箱体内，箱体内嵌入铜管或者不锈钢管，管内流有太阳能热水器或者工业废热产生的热水或者蒸汽，将跨季节相变蓄热材料加热至熔化状态，当箱体内跨季节蓄热材料的温度达到其熔化温度，全部蓄热材料变成液态，然后通过箱底的阀门放出，存储在储槽内，储槽可以为可移动的储罐、山洞、地下坑窑等。当外界温度降低时，因为离子液体跨季节蓄热材料的过冷，不会发生凝固相变，仍以液体的形式存在，没有相变潜热的损失，因为相变材料的相变潜热远大于显热，因此只有少量的热量损失。在需要利用热量的时候或者场合，将存储的跨季节蓄热材料引入，与需要加热的冷介质进行换热，当蓄热材料冷却至凝固点时，加入质量比为5～25%的自身固体粉末、铜粉、铁粉、石墨粉、碳纤维等的一种或者几种作为成核剂，使离子液体跨季节蓄热材料结晶凝固，放出相变潜热。离子液体跨季节蓄热材料变成固态，在夏季或者工业废热源处进行重复利用。
本发明的一个优点是，离子液体跨季节蓄热材料不挥发、不燃烧、不腐蚀，用于太阳能或工业废热收集系统中的安全性能好。
本发明的优点二为离子液体跨季节相变蓄热材料的熔点和过冷度适宜太阳能的跨季节利用。
本发明的另外一个优点是，离子液体性质稳定，不存在相分离、分解等问题，经多次循环使用后，熔化潜热，熔点，热容等热力学性质基本不发生变化。加入成核剂后，对离子液体跨季节蓄热材料的热性质也几乎没有影响。
具体实施方式
实施例1
将N-甲基咪唑82g(1mol)与溴代正十六烷458g(1.5mol)加入三口烧瓶，装上回流冷凝管和带有油封装置的聚四氟乙烯搅拌浆，做好密封后放在90℃水浴中回流，搅拌反应48h。然后加入3倍体积的甲醇洗涤三次后，加入2倍体积的丙酮升温至50℃溶解，放入冰箱冷却结晶，倒去上层清液，重复操作三次，使固体物变成纯白色，然后在80℃下减压蒸馏48h，得到1-十六烷基-3-甲基溴代咪唑[C16MIM]Br。经测定，该跨季节蓄热材料熔点为64℃，熔化潜热为152.6J/g，过冷度为20.2℃，导热系数和热扩散率见表1。
表1 离子液体[C16MIM]Br的导热系数及热扩散率
实施例2
将1，2-二甲基咪唑9.6g(0.1mol)与溴代正十六烷39.69g(0.13mol)加入三口烧瓶，装上回流冷凝管和带有油封装置的聚四氟乙烯搅拌浆，做好密封后放在90℃水浴中回流反应，搅拌反应24h。然后加入甲苯洗涤三次后，加入丙酮升温至40℃溶解，放入冰箱冷却结晶，不等温度回升倒去上层清液，重复操作三次，得到白色固体产物1-十六烷基-2，3-二甲基溴代咪唑[C16MMIM]Br。80℃减压蒸馏24h。得到固体产物40.9g，产率82.9%。经测定，该材料熔点为98.5℃，过冷度23.3℃，熔化潜热为123.7J/g，导热系数和热扩散率见表2。
表2 离子液体[C16MMIM]Br的导热系数及热扩散率
Figure BDA00003325612900051
实施例3
按实施例2中的方法合成出1-十六烷基-2，3-二甲基溴代咪唑[C16MMIM]Br，加热至熔化状态，然后冷却至凝固点时，加入不同比例的铜粉作为成核剂，使离子液体结晶凝固，放出热量。加入成核剂铜粉前后，1-十六烷基-2，3-二甲基溴代咪唑的热特性变化见表3。可见加入成核剂后，混合物的熔点几乎不变，相变热的减小比例也与所加入成核剂的质量比例基本一致，说明成核剂的加入对离子液体自身的热性质不会产生影响，只起到激发冷凝的作用。
表3 离子液体[C16MMIM]Br加入铜粉前后的热特性变化
Figure BDA00003325612900061
实施例4
按实施例1中的方法合成出1-十六烷基-3-甲基溴代咪唑[C16MIM]Br，将其放入太阳能热水器的水箱外的夹套中代替水箱保温层，水箱内热水的热量传递给离子液体[C16MIM]Br，当水箱内热水的温度超过64℃时，蓄热材料[C16MIM]Br逐渐熔化，当其完全熔化后，将其放出到位于地下的储槽内，往夹套内补充新的相变蓄热材料。到了阳光不充足的季节。将储存的蓄热材料通过泵或者其他方式加入到夹套内，注入10%的石墨粉成核剂，使其凝固放热，加热热水器水箱中的热水。

Claims (6)

1.离子液体材料作为跨季节相变蓄热材料的应用。
2.烷基咪唑溴代盐类离子液体材料作为跨季节蓄热材料。
3.离子液体材料作为跨季节相变蓄热材料的应用方法，其特征在于，离子液体用于跨季节蓄热材料在蓄热时，吸收太阳能或者工业废热使其温度上升，离子液体变成液体状态，当温度降低时，因为离子液体的过冷，不会发生凝固相变，仍以液体的形式存在，没有潜热的损失；当需要放出潜热时，加入成核剂激发离子液体发生凝固，释放出相变潜热。
4.按照权利要求3的方法，其特征在于，成核剂优选自身固体粉末、铜粉、铁粉、石墨粉、碳纤维的一种或者几种。
5.按照权利要求3的方法，其特征在于，成核剂的加入量为离子液体质量的5～25%。
6.制备权利要求2所述的离子液体的方法，其特征在于，首先将1，2-二甲基咪唑或N-甲基咪唑与溴代烷烃加入三口烧瓶中，甲基咪唑与溴代烷烃的摩尔比为1：1.5～1：3.0之间，溴代烷烃的烷烃碳原子数为4～26，既可以是正烷烃，也可以是支链烷烃。然后在50～100℃水浴中加热反应12～48h，得到烷基咪唑溴代盐类离子液体的粗产品，然后用3～4倍体积的甲醇、丙酮或者二氯甲烷中的一种或几种洗涤3～5次，加入1～2倍体积的丙酮升温40～60℃溶解，然后在冷冻条件下结晶，倾去上层液体，重复3～5次至固体样品为白色，在80℃下真空干燥24～48h，得到烷基咪唑溴代盐类离子液体材料。
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