CN104559937B - 节能型相变材料储能剂及其制作方法和生产设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于相变材料技术领域，涉及一种节能型相变材料储能剂及其制作方法和生产设备。解决了现有技术不节能的技术问题。生产设备包括能将太阳能转换为热能并进行热能储藏及释放的相变材料储热器、能够将相变材料进行搅拌混合的混合器以及能将混合器中的相变材料挤出成型的挤出机，所述的相变材料储热器通过循环系统连接混合器和挤出机，所述的循环系统能将相变材料储热器的热能对混合器和挤出机进行热交换。制作方法包括换热、混合、挤出成型等步骤。本发明具有节能、易于生产，生产的相变材料稳定性好等优点。
Description
技术领域
本发明属于相变材料技术领域，涉及一种节能型相变材料储能剂及其制作方法和生产设备。
背景技术
随着社会经济的发展，人类对能源的需求日益增加。为此，人们开始寻找绿色可再生能源去取代地球上日趋匮乏的资源，例如太阳能、风能、地热能等。然而，这些能源的间歇性给人类的利用带来极大不便，如何将能源进行很好的储存就显得尤为重要。
相变材料是一种能够利用自然界能量进行能量储存和温度控制的功能性材料。相比于其它能量储存方式(例如显然储能)，相变蓄热材料具有以下特点：相变材料的单位质量(体积)的蓄热密度大；相变过程保持恒温；化学稳定性好；利用相变材料储热或储冷，能够提高能源利用效率和保护环境，可用于解决热能供给与需求之间的匹配矛盾，在太阳能利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑和空调的节能等领域具有广泛的应用前景。特别是相变温度在0-120℃之间的材料，因为与人们生产、生活所需热能密切相关，已成为目前研究的热点。
然而目前公开发表的这类相变专利大多涉及材料的配方，关于制备工艺仅仅提到反应温度，或者对生产设备的描述还停留在实验室的制备阶段。如专利“一种用于空调蓄冷的相变材料”(申请号：201210128515.0)中，权利要求制备方法没有提及生产设备，“将各原料混合，在50-80℃下搅拌使混合均匀即得”。专利“复合相变材料的制备方法及添加相变材料的皮革制备方法”(申请号：201010175357.5)中，相变材料的制备方法在于“采用磁力搅拌器加热搅拌”，磁力搅拌器不适用于车间生产，不利于相变材料的规模生产。同时，专利没有提到生产所需的热源。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种节能型相变材料生产设备。
本发明的另一目的是提供一种工艺简单的制作节能型相变材料的方法。
本发明的再一目的是提供一种配伍合理的节能型相变材料。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种节能型相变材料生产设备，包括能将太阳能转换为热能并进行热能储藏及释放的相变材料储热器、能够将相变材料进行搅拌混合的混合器以及能将混合器中的相变材料挤出成型的挤出机，所述的相变材料储热器通过循环系统连接混合器和挤出机，所述的循环系统能将相变材料储热器的热能对混合器和挤出机进行热交换，所述的挤出机连接混合器，所述的相变材料储热器的包括相变材料板，相变材料板内填充有相变材料储能剂，所述的相变材料储能剂由三水醋酸钠、抗过冷剂、抗分层剂和保水剂组成。
在上述的节能型相变材料生产设备中，所述的相变材料储热器包括储热罐和用管道连通储热罐的太阳能集热器，所述的储热罐与太阳能集热器之间的管道上设有第一循环泵，所述的储热罐内设有若干相变材料板，储热罐内还填充有换能液。
在上述的节能型相变材料生产设备中，所述的相变材料板包括与储热罐固定连接的且呈封闭状的热交换板，所述的热交换板内填充有相变材料储能剂，所述的相变材料储能剂由三水醋酸钠、抗过冷剂、抗分层剂和保水剂组成。
在上述的节能型相变材料生产设备中，所述的抗过冷剂为五水偏硅酸钠，所述的抗分层剂为明胶，所述的保水剂为二聚甘油，所述的相变材料储能剂由下列质量分数的成分组成：
在上述的节能型相变材料生产设备中，所述的混合器包括混合罐，混合罐内设有搅拌机构，混合罐的顶部设有投料口，混合罐外壁设有第一换热夹套，所述的挤出机内设有绞龙机构，挤出机的外壁设有与绞龙机构的长度相适应的第二换热夹套，挤出机的出料端可拆卸的连接有口模，挤出机的进料端通过缓冲罐连接混合罐的底部且缓冲罐的水平高度低于混合罐的水平高度。
在上述的节能型相变材料生产设备中，所述的搅拌机构包括搅拌桨，搅拌桨连接驱动器，所述的混合罐内还设有至少一块与混合罐内壁固定连接的扰流板且扰流板位于搅拌桨上方。
在上述的节能型相变材料生产设备中，所述的循环系统包括用管道连接储热罐的第二循环泵，所述的第二循环泵通过管道连接第一换热夹套和第二换热夹套；所述的循环系统还包括设置在储热罐内的换热盘管，所述的换热盘管的两端分别连接第二循环泵的进料端和出料端，从而使换热盘管、第二循环泵、第一换热夹套和第二换热夹套形成一个封闭的回路，该封闭的回路内填充有换能液。
一种制作节能型相变材料的方法，包括以下步骤：
A、将相变材料储热器通过太阳能换热后将热能储存在相变材料储热器的相变材料板中，通过循环泵将相变材料储热器中的热能传递给混合器和挤出机；
B、将三水醋酸钠、抗过冷剂、抗分层剂和保水剂加入到混合器20，低速搅拌若干分钟后再高速搅拌若干分钟，混合均匀后得到相变材料混合物；
C、将相变材料混合物加入到挤出机中，挤出成型，得到相变材料。
在上述的制作节能型相变材料的方法中，在步骤A中，相变材料板中填充有相变材料储能剂，相变材料储能剂由三水醋酸钠、五水偏硅酸钠、明胶和二聚甘油且重量比为92:2:5:1；
在步骤B中，所述的抗过冷剂为五水偏硅酸钠，所述的抗分层剂为明胶，所述的保水剂为二聚甘油，三水醋酸钠：五水偏硅酸钠：明胶：二聚甘油的重量比为92:2:5:1。
一种节能型相变材料储能剂，由三水醋酸钠、抗过冷剂、抗分层剂和保水剂组成，所述的抗过冷剂为五水偏硅酸钠，所述的抗分层剂为明胶，所述的保水剂为二聚甘油，三水醋酸钠：五水偏硅酸钠：明胶：二聚甘油的重量比为92:2:5:1。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
1、节能。生产设备所需要的热源来源于太阳能，热能储存在储热罐中，能够满足相变材料的连续生产所需要的热能。
2、生产恒温。储热罐中储存相变材料，通过内置换热盘管把热量释放出来。释放温度稳定，波动小。生产工艺所需温度受控精确，保障了产品的质量品质。
3、混合均匀。在混合器中增加扰流板，有利于各个材料组分之间的分散均匀，同时对于大颗粒的材料，具有打碎功能，节省了生产时间。
4、相变材料的尺寸形状可以定做。采用挤出机和定做口模，可以根据客户的需要，生产圆形、方形、颗粒状、条形状等相变材料，也可以满足客户对相变材料形状的特殊需求，实现了产品形状的定制，提高市场竞争力。
5、用本发明的制作方法生产的相变材料采用新型抗过冷剂和新型抗分层剂，消除了过冷和分层现象，经过长期循环实验，产品指标满足要求，长期稳定性良好，相变材料对铜、铝、不锈钢腐蚀率满足符合标准SH/T0085-91(发动机冷却液腐蚀测定法)的要求，能够应用在金属储能器中长期应用不腐蚀。
附图说明
图1是本发明提供的生产设备的结构示意图；
图2是本发明提供的节能型相变材料储能剂经过1000次循环后的相变温度曲线图。
图中：相变材料储热器10、储热罐11、太阳能集热器12、第一循环泵13、相变材料板14、热交换板141、混合器20、混合罐21、搅拌机构22、搅拌桨221、投料口23、第一换热夹套24、扰流板25、挤出机30、绞龙机构31、第二换热夹套32、口模33、缓冲罐34、循环系统40、第二循环泵41、换热盘管42、第一阀门51、第二阀门52、第三阀门53、第四阀门54、第五阀门55。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，一种节能型相变材料生产设备，包括相变材料储热器10、混合器20、挤出机30和循环系统40，相变材料储热器10通过循环系统40连接混合器20和挤出机30，循环系统40能将相变材料储热器10的热能对混合器20和挤出机30进行热交换，所述的挤出机30连接混合器20。
相变材料储热器10能将太阳能转换为热能并进行热能储藏及释放，它包括储热罐11和用管道连通储热罐11的太阳能集热器12，储热罐11外壁包裹有保温材料，保温材料优选为聚氨酯材料，所述的储热罐11与太阳能集热器12之间的管道上设有第一循环泵13，第一循环泵13的出料口连接第一阀门51，太阳能集热器12通过第二阀门52连接储热罐11，所述的储热罐11内设有若干相变材料板14，储热罐11内还填充有换能液。相变材料板14包括与储热罐11固定连接的且呈封闭状的热交换板141，所述的热交换板141内填充有相变材料储能剂，所述的相变材料储能剂由三水醋酸钠、抗过冷剂、抗分层剂和保水剂组成。
太阳能集热器12符合GB/T6424-2007的技术要求，板芯可以选择铜、铝合金、镁铝合金、不锈钢等材料，优选镁铝合金。结构可以选择：管板式、翼管式、蛇管式、扁盒式，优选蛇管式。换能液优选为导热油或乙二醇型防冻液。
混合器20能够将相变材料进行搅拌混合，混合器20包括混合罐21，混合罐21内设有搅拌机构22，混合罐21的顶部设有投料口23，混合罐21外壁设有第一换热夹套24。搅拌机构22包括搅拌桨221，搅拌桨221连接驱动器，所述的混合罐21内还设有至少一块与混合罐21内壁固定连接的扰流板25且扰流板25位于搅拌桨221上方，扰流板25的作用是起到充分搅拌均匀。搅拌桨221优选立式三桨叶式、螺杆螺带式桨叶，辅助扰流板25强化混合，扰流板25长度优选100-2000mm，高度优选50-300mm。挤出机30能将混合器20中的相变材料挤出成型，挤出机30内设有绞龙机构31，绞龙机构31优选45-150毫米，长径比L/D优选18-25：1，材质优选304、316不锈钢或合金材质。挤出机30的外壁设有与绞龙机构31的长度相适应的第二换热夹套32，挤出机30的出料端可拆卸的连接有口模33，挤出机30的进料端通过缓冲罐34连接混合罐21的底部且缓冲罐34的水平高度低于混合罐21的水平高度。
循环系统40包括用管道连接储热罐11的第二循环泵41，所述的第二循环泵41通过管道连接第一换热夹套24和第二换热夹套32。在第一换热夹套24和第二循环泵41之间的管路上设置第三阀门53，在第二换热夹套32和第二循环泵41之间的管路上设置第四阀门54，在第二换热夹套32和储热罐11之间的管路上设置第五阀门55，循环系统40还包括设置在储热罐11内的换热盘管42，所述的换热盘管42的两端分别连接第二循环泵41的进料端和出料端，从而使换热盘管42、第二循环泵41、第一换热夹套24和第二换热夹套32形成一个封闭的回路，该封闭的回路内填充有换能液。上述的第一阀门51、第二阀门52、第三阀门53、第四阀门54和第五阀门55优选为电磁阀。
上述的抗过冷剂为五水偏硅酸钠，抗分层剂为明胶，保水剂为二聚甘油。明胶是一种高分子线性多糖，由4个单糖分子组成的基本单元重复聚合而成.其基本单元是由1，3—和1，4—连接的2个葡萄糖残基，1，3—连接的1个葡萄糖醛酸残基，和1，4—连接的1个鼠李糖残基组成。
优选地，相变材料储能剂由下列质量分数的成分组成：
上述相变材料储能剂的生产工艺为：将三水醋酸钠加入混合机中，开启低速搅拌，在搅拌下依次加入抗过冷剂、抗分层剂和保水剂，然后低速混合30分钟，开启高速搅拌30分钟，停止，生产完成。低速搅拌速度是100r/min，高速搅拌速度是500r/min。混合机为立式混合机，由机座部分、混合容器部分、传动部分等组成。
目前太阳能储能器所用相变材料主要有有机材料和无机材料2种，有机材料主要是蜡类，它具有性能稳定、温度恒定等特点，然而蜡类材料存在价格高、单位体积储能量小、易燃等缺点。无机材料主要是以三水醋酸钠为主的复合相变材料，三水醋酸钠相对密度1.528g/cm3，熔点58℃，融化热265kJ/kg，导热系数0.5W/(m·℃，适合作为太阳能储热材料，然而三水醋酸钠存在过冷和相分层现象，需要添加成核剂和增稠剂。传统的三水醋酸钠为主的复合相变材料研究主要是依靠添加硼砂、羧甲基纤维素钠等手段克服过冷和分层现象，生产工艺上主要是加热到58℃以上，此时三水醋酸钠已呈液体，三水醋酸钠作为相变材料经过一段长时间受热，吸收了大量的热能，增大了企业的能源成本费用，并且熔融态相变材料在室温下凝固成大块固体，不利于封装，影响客户使用体验。
本发明的相变材料通过采用新型抗过冷剂和新型抗分层剂，消除了过冷和分层现象，经过长期循环实验，产品指标满足要求，长期稳定性良好。相变材料对铜、铝、不锈钢腐蚀率满足符合标准SH/T0085-91(发动机冷却液腐蚀测定法)的要求，能够应用在金属储能器中长期应用不腐蚀。
相变材料经过出厂取样检测，同时在高低温循环箱内冷热相变循环40-70℃1000次后再次检测，检测产品长期稳定性情况。产品检测结果如表1所述，出厂产品检验合格，经过1000次高低温相变循环后，产品相变温度升高了1-2℃，仍符合55-60℃的范围。相变焓降低微小，大于200KJ/Kg，过冷度是2℃，金属腐蚀率符合SH/T0085-91的要求，综上，本发明的相变材料储能剂经过1000次相变循环后，产品稳定性良好，能够满足太阳能储能器的应用。详见附表1-3及图2。
其中，附表1：产品检测结果；附表2：出厂时产品对金属腐蚀率实际值与标准值的比较；附表3：循环后产品对金属腐蚀率实际值与标准值的比较。
附表1产品检测结果
附表2：出厂时产品对金属腐蚀率实际值与标准值的比较
附表3：循环后产品对金属腐蚀率实际值与标准值的比较
本发明的相变材料储能剂通过采用新型抗过冷剂和新型抗分层剂，消除了过冷和分层现象，经过长期循环实验，产品指标满足要求，长期稳定性良好。变材料可以根据客户需求实现个性化定制(如粉状、颗粒状、条形状等)，易于包装，方便客户使用与添加。相变材料对铜、铝、不锈钢腐蚀率满足符合标准SH/T0085-91(发动机冷却液腐蚀测定法)的要求，能够应用在金属储能器中长期应用不腐蚀。
具体生产方法如下：
晴天时，开启第一阀门51和第二阀门52，第一循环泵13，太阳能集热器12收集热量加热储热罐11内的换能液，换能液通过第一循环泵13循环到储热罐11中加热相变材料板14中的相变材料储能剂，使热量储存起来。生产相变材料时，将称取好的原材料，原材料按三水醋酸钠：五水偏硅酸钠：明胶：二聚甘油的重量比为92:2:5:1的比例投料，原材料通过投料口23加入混合器20的混合罐21中，开启低速搅拌5分钟，同时开启第二循环泵41、第三阀门43和第五阀门55，再高速搅拌60分钟，放料到缓冲罐34中，开启挤出机30，开启第四阀门54，口模33采用圆形模具，通过风力冷却，使相变材料的温度降到相变温度之下，材料凝固成型，使用切断器切割成型，生产出圆形颗粒状相变材料。
夜晚或者阴雨天时，关闭第一循环泵13和第一阀门51，生产相变材料时，将称取好的原材料通过投料口23加入混合机20中，开启低速搅拌10分钟，同时开启第二循环泵41、第三阀门43和第五阀门55，相变材料板14中的相变材料储能剂加热换能液，通过第一换热夹套32加热原材料，再高速搅拌30分钟，放料到缓冲罐34中，开启挤出机30，开启第四阀门54，口模33采用方形模具，通过风力冷却，使相变材料的温度降到相变温度之下，材料凝固成型，辅助牵引机，当相变材料长度在3000mm时，使用切断器切割成型，生产出方形长条状相变材料。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了相变材料储热器10、储热罐11、太阳能集热器12、第一循环泵13、相变材料板14、热交换板141、混合器20、混合罐21、搅拌机构22、搅拌桨221、投料口23、第一换热夹套24、扰流板25、挤出机30、绞龙机构31、第二换热夹套32、口模33、缓冲罐34、循环系统40、第二循环泵41、换热盘管42、第一阀门51、第二阀门52、第三阀门53、第四阀门54、第五阀门55等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (8)
1.一种节能型相变材料生产设备，其特征在于，包括能将太阳能转换为热能并进行热能储藏及释放的相变材料储热器(10)、能够将相变材料进行搅拌混合的混合器(20)以及能将混合器(20)中的相变材料挤出成型的挤出机(30)，所述的相变材料储热器(10)通过循环系统(40)连接混合器(20)和挤出机(30)，所述的循环系统(40)能将相变材料储热器(10)的热能对混合器(20)和挤出机(30)进行热交换，所述的挤出机(30)连接混合器(20)，所述的相变材料储热器(10)的包括相变材料板(14)，相变材料板(14)内填充有相变材料储能剂，所述的相变材料储能剂由三水醋酸钠、抗过冷剂、抗分层剂和保水剂组成。
2.根据权利要求1所述的节能型相变材料生产设备，其特征在于，所述的相变材料储热器(10)包括储热罐(11)和用管道连通储热罐(11)的太阳能集热器(12)，所述的储热罐(11)与太阳能集热器(12)之间的管道上设有第一循环泵(13)，所述的储热罐(11)内设有若干相变材料板(14)，储热罐(11)内还填充有换能液。
3.根据权利要求2所述的节能型相变材料生产设备，其特征在于，所述的相变材料板(14)包括与储热罐(11)固定连接的且呈封闭状的热交换板(141)，所述的热交换板(141)内填充有相变材料储能剂，所述的相变材料储能剂由三水醋酸钠、抗过冷剂、抗分层剂和保水剂组成。
4.根据权利要求3所述的节能型相变材料生产设备，其特征在于，所述的抗过冷剂为五水偏硅酸钠，所述的抗分层剂为明胶，所述的保水剂为二聚甘油，所述的相变材料储能剂由下列质量分数的成分组成：
5.根据权利要求2-4任意一项所述的节能型相变材料生产设备，其特征在于，所述的混合器(20)包括混合罐(21)，混合罐(21)内设有搅拌机构(22)，混合罐(21)的顶部设有投料口(23)，混合罐(21)外壁设有第一换热夹套(24)，所述的挤出机(30)内设有绞龙机构(31)，挤出机(30)的外壁设有与绞龙机构(31)的长度相适应的第二换热夹套(32)，挤出机(30)的出料端可拆卸的连接有口模(33)，挤出机(30)的进料端通过缓冲罐(34)连接混合罐(21)的底部且缓冲罐(34)的水平高度低于混合罐(21)的水平高度。
6.根据权利要求5所述的节能型相变材料生产设备，其特征在于，所述的搅拌机构(22)包括搅拌桨(221)，搅拌桨(221)连接驱动器，所述的混合罐(21)内还设有至少一块与混合罐(21)内壁固定连接的扰流板(25)且扰流板(25)位于搅拌桨(221)上方。
7.根据权利要求5所述的节能型相变材料生产设备，其特征在于，所述的循环系统(40)包括用管道连接储热罐(11)的第二循环泵(41)，所述的第二循环泵(41)通过管道连接第一换热夹套(24)和第二换热夹套(32)；所述的循环系统(40)还包括设置在储热罐(11)内的换热盘管(42)，所述的换热盘管(42)的两端分别连接第二循环泵(41)的进料端和出料端，从而使换热盘管(42)、第二循环泵(41)、第一换热夹套(24)和第二换热夹套(32)形成一个封闭的回路，该封闭的回路内填充有换能液。
8.一种节能型相变材料的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将相变材料储热器(10)通过太阳能换热后将热能储存在相变材料储热器(10)的相变材料板(14)中，通过循环泵将相变材料储热器(10)中的热能传递给混合器(20)和挤出机(30)；
B、将三水醋酸钠、抗过冷剂、抗分层剂和保水剂加入到混合器(20)，低速搅拌若干分钟后再高速搅拌若干分钟，混合均匀后得到相变材料混合物；
C、将相变材料混合物加入到挤出机(30)中，挤出成型，得到相变材料，
在步骤A中，相变材料板(14)中填充有相变材料储能剂，相变材料储能剂由三水醋酸钠、五水偏硅酸钠、明胶和二聚甘油组成且重量比为92:2:5:1；
在步骤B中，所述的抗过冷剂为五水偏硅酸钠，所述的抗分层剂为明胶，所述的保水剂为二聚甘油，三水醋酸钠：五水偏硅酸钠：明胶：二聚甘油的重量比为92:2:5:1。
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| CN102660231A (zh) * | 2012-04-17 | 2012-09-12 | 武汉大学 | 一种无机相变材料及其制备方法 |
| CN102746828A (zh) * | 2012-07-25 | 2012-10-24 | 路生吉 | 一种低温相变蓄热材料及其制备方法 |
| CN203639404U (zh) * | 2013-12-26 | 2014-06-11 | 深圳市爱能森科技有限公司 | 一种高温熔盐制备装置 |
-
2014
- 2014-12-31 CN CN201410853251.4A patent/CN104559937B/zh active Active
Patent Citations (3)
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| Title |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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