CN104059616A - 一种海洋温差能发电用固液相变热交换工质及其制备方法 - Google Patents
一种海洋温差能发电用固液相变热交换工质及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种海洋温差能发电用固液相变热交换工质。以正十五烷（C15H32）、正十六烷（C16H34）和正十七烷（C17H36）按质比为6:60:34混合成三元固液相变热交换工质母体混合材料，向混合材料中添加高导热性改性材料膨胀石墨强化了其导热性能；添加分散剂有机膨润土并利用超声振荡的方式改善了其分散稳定性。本发明的固液相变热交换工质其固液相变温度范围为14.5-17.5℃，其相变潜热值约为212.1kJ/kg，其体积膨胀率约为8.5%。该材料作为海洋温差能发电用固液相变热交换工质，能够满足海洋温差能发电用热交换工质的基本要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种相变热交换材料，特别是一种海洋温差能发电用固液相变热交换工质及其制备方法，属于材料制备技术领域。
背景技术
近些年来，人们对海洋资源开发、海洋科学研究和海洋环境探测的需求越来越重视，因此，海洋观测平台及其相关技术得到了迅速发展。海洋观测平台具有结构简单、工作效率高、工作区域宽、隐蔽性能好、续航能力强等优点，是获取海洋环境资源信息的主要设备。然而，海洋观测平台的动力供应问题一直是制约其远距离、长时间作业的主要瓶颈。海洋观测平台的续航能力对其工作效率起着至关重要的作用，研发高续航能力的海洋观测平台已经成为一种必然的趋势。海洋温差能作为一种可再生的绿色能源，具有非常广阔的应用前景。尤其是利用海洋温差能进行发电，从而可以保证海洋观测平台长时间、长距离开展工作。海洋温差能发电技术主要是利用固液相变材料在发生固液相变时产生的体积收缩与膨胀，从而可将不同海洋深度上存在的温差能转化成液压能，再利用微型液压马达进行发电的海洋观测平台供电技术。在海洋温差能发电技术中，最为重要的环节在于海洋温差能的获取，而在获取海洋温差能的环节中最为关键的是热交换工质的选择。现有技术为此，开发一种海洋温差能发电用固液相变热交换工质，对海洋资源开发和海洋环境探测具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海洋温差能发电用固液相变热交换工质，以满足利用海洋温差能发电技术对热交换工质的性能要求。
本发明的目的还在于提供一种海洋温差能发电用固液相变热交换工质的制备方法。
本发明的构思是这样的。固液相变材料利用其固态与液态之间的相互转化而进行能量的吸收与释放，在固液相变材料发生固态-液态相变时，通常会伴随着体积的改变，若将这种体积变化转化成液压能，进而利用微型液压马达进行发电，就可以将海洋温差能最终转化成可供利用的电能。石蜡基固液相变材料具有相变温度较低、可调范围较宽，固液相变体积变化率较高，高压下体积变化率较稳定等特点，比较适合应用于海洋剖面观测平台的温差能供电系统中。
通过对石蜡基固液相变材料的熔点、传热特性和相变体积膨胀率等特性进行研究、分析，本发明选择以体积膨胀率相对较高的石蜡基固液相变的传热工质母体材料。石蜡类相变材料能较大范围的符合本发明所需传热工质的性能要求，通过不同成分的混合可以制备出满足温度要求的相变材料，并且石蜡类相变材料存在较大的体积膨胀率、无过冷现象、无腐蚀性、化学性能稳定等优点。但是石蜡类相变材料存在明显问题是的导热系数小，因此，需要进一步增强其导热性能。备选材料热物性参数如表1所示。
表1 备选材料热物性参数
| C14 | C15 | C16 | C17 | C18 | |
| 熔点(℃) | 5.5 | 10 | 16.7 | 21.4 | 28.2 |
| 熔化潜热(kJ/kg) | 225.9 | 246.8 | 236.8 | 171.5 | 242.7 |
从表1可以看出，虽然C16的熔点温度最接近传热工质对相变材料温度范围14℃-18℃，为16.7℃，但是其熔化潜热值相对比较高，为236.8kJ/kg，而C17的熔化潜热值相对较低为171.54kJ/kg，但其熔点为21.4℃，且其价格较高。
为此，以C16和C17混合物作为传热工质母体材料的主要成份，通过添加C15及其他成份的方式，可以制备出熔点在14℃-18℃范围，熔化潜热相对较低，相变体积膨胀率相对较高的新型石蜡基固液相变复合材料，作为传热工质的母体材料。
针对石蜡基固液相变材料导热系数低、传热性能差的缺点，通过向该传热工质母体材料中添加膨胀石墨，并采用超声震荡和添加分散剂的方式，制备出性能比较稳定的膨胀石墨石蜡基固液相变复合材料。
本发明通过添加微纳米粒子的膨胀石墨粉，从而改善复合相变材料导热性能，提高传热工质的换热效率，这对于提高海洋观测平台的海洋温差能利用率和系统工作效率具有重要的实际意义
具体的，本发明的海洋温差能发电用固液相变热交换工质由三元复合材料混合物、改性剂和分散剂组成，其组成如下：
三元复合材料混合物：C15：C16：C17（正十五烷烃、正十六烷烃、正十七烷烃）质量比0.6:6:3.4或0.6:7:2.4或0.8:6:3.2或0.8:7:2.2，
改性剂：三元复合材料混合物总质量0.2%或0.1%或0.5%的膨胀石墨，
分散剂：三元复合材料混合物总质量0.2%或0.1%或0.4%的的十二烷基苯磺酸钠。
其制备方法如下：
（1）将C15：C16：C17正烷烃按照质量比混合成三元复合材料混合物；
（2）在三元复合材料混合物中依次分别添加改性剂膨胀石墨和分散剂十二烷基苯磺酸钠，将其超声震荡60min，制备得到海洋温差能发电用固液相变热交换工质材料。
本发明所使用的膨胀石墨膨胀率为200ml/g，粒度为50目，含硫量为200×10-6。膨胀石墨可采用公知的方法制备，例如马弗炉高温膨化法制备或采用微波高温膨化法制备。
本发明的热交换工质的主要性能：其固液相变温度范围为14.5-17.5℃，其相变潜热值约为212.1kJ/kg，其体积膨胀率约为8.5%，且分散性能稳定，能够满足海洋温差能发电用热交换工质的基本要求。
本发明对传热工质的相变过程温度场和流动特性进行了数值模拟分析，研究了其换热特性，分析了该膨胀石墨石蜡基固液相变复合材料传热工质的凝固过程和熔化过程。
传热工质在熔化过程中，大致经过三个阶段：
第一阶段，熔化过程开始之前，由于此时内外环境温差较大，热量极易由环境传热给传热工质，因此升温较快；
第二阶段，相变过程阶段，传热工质由外向内逐渐熔化，液态传热工质逐渐增多，此时传热工质温度在一定范围内基本保持不变，所以升温速率减慢；
第三阶段，熔化过程结束，此时内外环境温差较大，传热工质温升速率逐渐增大，温度最终趋于环境温度。
同样，复合相变材料的凝固过程中也大致经历了3个阶段：
第一阶段，由于内外温差非常大，自然对流起着非常强烈的作用，致使热流量很高，从而热量极易由传热工质传给恒温槽中的水；
第二阶段，发生相变的过程，降温速率有所减缓，这是由于发生液固相变过程，随着液态相变材料的减少，自然对流所起的作用也逐渐变小，相变潜热渐渐释放出来，固液相交界面由外逐渐向内移动，热阻变大，热量由内向外传导变慢；
第三阶段，在相变过程的后期，固态的相变材料导热占主导地位，降温有所加快，最后相变材料的温度趋于平缓直至接近环境温度。
尽管石蜡类有机相变材料具有无过冷现象、热化学性能稳定、无毒环保、无腐蚀性并且够能自成核等一系列优点,而成为中、低温储热技术中广泛应用的材料。 但是，石蜡类相有机变材料最大缺点是导热系数较低，这也是其应用的最大障碍，因此必须对这类相变材料的导热系数进行强化，加快其吸放热速率。
本发明取得的有益效果如下：
本发明以正十五烷（C15H32）、正十六烷（C16H34）和正十七烷（C17H36）按质量比配置成三元固液相变热交换工质母体材料，通过添加高导热性微纳米粒子的膨胀石墨粉的方式强化了其导热性能，有效缩短了相变过程的时间；通过添加分散剂有机膨润土并利用超声振荡的方式改善了其分散稳定性。
附图说明
附图1是热交换工质凝固过程温度曲线图。
附图2是热交换工质熔化过程温度曲线图。
附图3是热交换工质DSC曲线图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明。
实施例1
1、固液相变热交换工质材料的组成
三元复合材料混合物：正十五烷烃、正十六烷烃、正十七烷烃质量比0.8:6:3.2，改性剂：三元复合材料混合物总质量0.1%的膨胀石墨，分散剂：三元复合材料混合物总质量0.1%的十二烷基苯磺酸钠；
2、制备
（1）将C15：C16：C17正烷烃按照质量比混合成三元复合材料混合物；
（2）马弗炉高温膨化法制备膨胀石墨
使用真空干燥箱将可膨胀石墨干燥1h，取少量干燥后的可膨胀石墨粉放置于陶瓷坩埚中，然后将其置于600℃温度下的马弗炉中加热膨胀5min，即可得到膨胀石墨。
（3）在三元复合材料混合物中依次分别添加膨胀石墨和十二烷基苯磺酸钠，将其超声震荡60min，得到海洋温差能发电用固液相变热交换工质材料。
实施例2
1、固液相变热交换工质材料的组成
三元复合材料混合物：正十五烷烃、正十六烷烃、正十七烷烃质量比0.6:6:3.4，改性剂：三元复合材料混合物总质量0.2%的膨胀石墨，分散剂：三元复合材料混合物总质量0.2%的十二烷基苯磺酸钠；
2、制备
（1）将C15：C16：C17正烷烃按照质量比混合成三元复合材料混合物；
（2）微波高温膨化法制备膨胀石墨
由于石墨具有导电性，石墨在微波的作用下会产生涡电流，从而产生剧烈的加热效应，使石墨迅速膨胀，从而形成膨胀石墨；
（3）在三元复合材料混合物中依次分别添加膨胀石墨和十二烷基苯磺酸钠，将其超声震荡60min，得到海洋温差能发电用固液相变热交换工质材料。
实施例3
1、固液相变热交换工质材料的组成
三元复合材料混合物：正十五烷烃、正十六烷烃、正十七烷烃质量比0.6:7:2.4，改性剂：三元复合材料混合物总质量0.5%的膨胀石墨，分散剂：三元复合材料混合物总质量0.4%的十二烷基苯磺酸钠；
2、制备
（1）将C15：C16：C17正烷烃按照质量比混合成三元复合材料混合物；
（2）马弗炉高温膨化法制备膨胀石墨
使用真空干燥箱将可膨胀石墨干燥1h，取少量干燥后的可膨胀石墨粉放置于陶瓷坩埚中，然后将其置于600℃温度下的马弗炉中加热膨胀5min，即可得到膨胀石墨；
（3）在三元复合材料混合物中依次添加膨胀石墨和十二烷基苯磺酸钠，将其超声震荡60min，制备得到海洋温差能发电用固液相变热交换工质材料。
实施例4
1、固液相变热交换工质材料的组成
三元复合材料混合物：正十五烷烃、正十六烷烃、正十七烷烃质量比0.8:7:2.2，改性剂：三元复合材料混合物总质量0.2%的膨胀石墨，分散剂：三元复合材料混合物总质量0.2%的十二烷基苯磺酸钠；
2、制备
制备方法同实施例3。
Claims (6)
1.一种海洋温差能发电用固液相变热交换工质，其特征在于其组成如下：
三元复合材料混合物：正十五烷烃、正十六烷烃、正十七烷烃质量比0.8:6:3.2，
改性剂：三元复合材料混合物总质量0.1%的膨胀石墨，
分散剂：三元复合材料混合物总质量0.1%的十二烷基苯磺酸钠。
2.一种海洋温差能发电用固液相变热交换工质，其特征在于其组成如下：
三元复合材料混合物：正十五烷烃、正十六烷烃、正十七烷烃质量比0.6:6:3.4，
改性剂：三元复合材料混合物总质量0.2%的膨胀石墨，
分散剂：三元复合材料混合物总质量0.2%的十二烷基苯磺酸钠。
3.一种海洋温差能发电用固液相变热交换工质，其特征在于其组成如下：
三元复合材料混合物：正十五烷烃、正十六烷烃、正十七烷烃质量比0.6:7:2.4，
改性剂：三元复合材料混合物总质量0.5%的膨胀石墨，
分散剂：三元复合材料混合物总质量0.4%的十二烷基苯磺酸钠。
4.一种海洋温差能发电用固液相变热交换工质，其特征在于其组成如下：
三元复合材料混合物：正十五烷烃、正十六烷烃、正十七烷烃质量比0.8:7:2.2，
改性剂：三元复合材料混合物总质量0.2%的膨胀石墨，
分散剂：三元复合材料混合物总质量0.2%的十二烷基苯磺酸钠。
5.一种制备如权利要求1或2或3或4所述交换工质的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将C15：C16：C17正烷烃按照质量比混合成三元复合材料混合物；
（2）马弗炉高温膨化法制备膨胀石墨
使用真空干燥箱将可膨胀石墨干燥1h，取少量干燥后的可膨胀石墨粉放置于陶瓷坩埚中，然后将其置于600℃温度下的马弗炉中加热膨胀5min，得到膨胀石墨；
（3）在三元复合材料混合物中依次分别添加改性剂膨胀石墨和分散剂十二烷基苯磺酸钠，超声震荡60min，制备得到海洋温差能发电用固液相变热交换工质材料。
6.一种制备如权利要求1或2或3或4所述交换工质的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将C15：C16：C17正烷烃按照质量混合成三元复合材料混合物；
（2）微波高温膨化法制备膨胀石墨
将膨胀石墨在微波的作用下产生涡电流，产生剧烈的加热效应，使可膨胀石墨迅速膨胀，从而形成膨胀石墨；
（3）在三元复合材料混合物中依次分别添加改性剂膨胀石墨和分散剂十二烷基苯磺酸钠，超声震荡60min，制备得到海洋温差能发电用固液相变热交换工质材料。
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