CN109237976B - 一种能提高相变蓄能材料结晶速度的pcm蓄能结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能提高相变蓄能材料结晶速度的PCM蓄能结构，设有密封容器和储放在密封容器内的相变蓄能材料，相变蓄能材料通过密封容器与外界换热；还设有多枚放置在相变蓄能材料内的结晶辅助核心；结晶辅助核心的比重与相变蓄能材料处于液态时的比重相差在±10％以内，结晶辅助核心由非相变蓄能材料制成，并且：该非相变蓄能材料的导热率在相变蓄能材料处于液态时的导热率以上，该非相变蓄能材料与处于液态下的相变蓄能材料的接触角在90°以下，该非相变蓄能材料的熔点高于处于固态下的相变蓄能材料的熔点。本发明能提高相变蓄能材料在放热时的晶核成核速度，使得相变蓄能材料能够更快的由液态凝固为固态，改善了PCM蓄能结构的蓄热性能。

Description

一种能提高相变蓄能材料结晶速度的PCM蓄能结构
技术领域
本发明涉及一种能提高相变蓄能材料结晶速度的PCM蓄能结构。
背景技术
无机水合盐是目前中低温广泛应用的相变蓄能材料(Phase Change Materials，简称PCM)，它在太阳房采暖系统,家用电器等领域已经得到应用。无机水合盐相变材料是利用无机水合盐熔化或凝固的固液相变过程吸收或放出潜热的特性进行热量的储存和释放。其主要优点是：1、无机水合盐的固液相变潜热远大于其显热，因此储存同样的热量所需的蓄热介质少；2、蓄热和放热可以在恒定的温度下进行。
PCM蓄能结构是利用相变蓄能材料的特性进行蓄能的装置，其设有密封容器和储放在密封容器内的相变蓄能材料，相变蓄能材料通过密封容器与外界换热，相变蓄能材料的蓄热和放热通过其固液变化实现，即：处于固态时，相变蓄能材料通过蓄热熔化为液态，以实现PCM蓄能结构对外界能量的蓄能；处于液态时，相变蓄能材料通过放热凝固为固态，以实现PCM蓄能结构将蓄能输出至外界。其中，相变蓄能材料通过放热由液态凝固为固态的过程，是液态相变蓄能材料的再结晶过程，液态相变蓄能材料中必须不断形成晶核才能让再结晶过程继续进行。而PCM蓄能结构中液态相变蓄能材料形成晶核的方式分为两种：第一种是非均匀成核，指的是液态相变蓄能材料在密封容器的内表面形成晶核；第二种是均匀成核，指的是没有与密封容器直接接触的液态相变蓄能材料，在其整个液体外表面形成分散的晶核。
上述PCM蓄能结构，由于以下三个原因，存在晶核成核速度慢的问题，致使相变蓄能材料通过放热由液态凝固为固态的过程缓慢，造成PCM蓄能结构的蓄热性能较差：
其一，液态相变蓄能材料的非均匀成核面积小：液态相变蓄能材料仅其最外层与密封容器的内表面直接接触，可发生非均匀成核，液态相变蓄能材料的内部无法发生非均匀成核；
其二，液态相变蓄能材料的结晶速度慢：由于相变蓄能材料是通过密封容器与外界换热的，使得液态相变蓄能材料向外界放热是由与密封容器内表面直接接触的最外层向中心位置逐层推进的，也即液态相变蓄能材料凝固为固态的结晶过程只能由其最外层向中心位置逐层推进，处于中心位置的液态相变蓄能材料最后才能释放热量，以结晶凝固成固态；
其三，无法通过直接搅动液态相变蓄能材料的方式加快成核速度：液态相变蓄能材料是可以通过搅拌来增强物质向晶体生长表面的运输能力，以提高结晶速度的，但是，上述PCM蓄能结构中的液态相变蓄能材料，在结晶过程中，只伴随先结晶部分下沉的分子级微观运动，无明显宏观运动，且相变蓄能材料储放在密封容器内，也不便于用外部机构对液态相变蓄能材料进行搅拌。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能提高相变蓄能材料结晶速度的 PCM蓄能结构，以解决现有PCM蓄能结构因晶核成核速度慢造成蓄热性能差的问题。
解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种能提高相变蓄能材料结晶速度的PCM蓄能结构，设有密封容器和储放在所述密封容器内的相变蓄能材料，所述相变蓄能材料通过所述密封容器与外界换热；其特征在于：所述的PCM蓄能结构还设有多枚放置在所述相变蓄能材料内的结晶辅助核心；所述结晶辅助核心的比重与所述相变蓄能材料处于液态时的比重相差在±10％以内，所述结晶辅助核心由非相变蓄能材料制成，且该非相变蓄能材料满足以下特性：该非相变蓄能材料的导热率在所述相变蓄能材料处于液态时的导热率以上，该非相变蓄能材料与处于液态下的所述相变蓄能材料的接触角在90°以下，该非相变蓄能材料的熔点高于处于固态下的所述相变蓄能材料的熔点。
作为本发明的优选实施方式：所述结晶辅助核心上设有开孔。
作为本发明的优选实施方式：所述结晶辅助核心采用单一的非相变蓄能材料制成，该单一的非相变蓄能材料的比重大于所述相变蓄能材料处于液态时的比重，且所述结晶辅助核心上设有开孔。
其中，优选的：所述结晶辅助核心所采用的单一的非相变蓄能材料为水泥。
其中，优选的：所述结晶辅助核心为水泥通过水泥造球机所制成的水泥球体。
作为本发明的优选实施方式：所述结晶辅助核心采用两种非相变蓄能材料制成，该两种非相变蓄能材料的比重分别大于和小于所述相变蓄能材料处于液态时的比重，且该两种非相变蓄能材料中的任意一种作为基材、另一种作为填充料，所述基材上开设有盲孔，所述填充料嵌装在该盲孔中。
其中，优选的：所述结晶辅助核心所采用的两种非相变蓄能材料分别为塑料和金属，所述塑料作为基材，所述金属作为填充料嵌装在开设有在所述塑料上的盲孔中。
其中，优选的：所述结晶辅助核心所采用的两种非相变蓄能材料分别为水泥制品和塑料，所述水泥制品作为基材，所述塑料作为填充料嵌装在开设有在所述水泥制品上的盲孔中。
作为本发明的优选实施方式：所述相变蓄能材料为十水硫酸钠、十二水硫酸铝钾和三水醋酸钠中的任意一种。
作为本发明的优选实施方式：所述密封容器为空心球体形，所述结晶辅助核心为球体状，所述结晶辅助核心的直径在所述密封容器的1/100至1/5之间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过设置多枚放置在相变蓄能材料内的结晶辅助核心，能够提高相变蓄能材料在放热时的晶核成核速度，使得相变蓄能材料能够更快的由液态凝固为固态，改善了PCM蓄能结构的蓄热性能，具体原理如下：
其一、由于结晶辅助核心由非相变蓄能材料制成，且与处于液态下的所述相变蓄能材料的接触角在90°以下，因此，本发明中液态的相变蓄能材料不仅可通过与密封容器的内表面直接接触、还可通过与结晶辅助核心直接接触，发生非均匀成核，大大增了了非均匀成核的面积，增加了非均匀成核的概率和速度；
其二，由于结晶辅助核心的比重与所述相变蓄能材料处于液态时的比重相差在±10％以内，因此，结晶辅助核心能够悬浮在液态的相变蓄能材料内，而不会全部沉在液态相变蓄能材料的底部或全部浮在液态相变蓄能材料的液面上，避免因结晶辅助核心堆叠而造成非均匀成核面积缩小，悬浮在液态相变蓄能材料内的每一个结晶辅助核心均能够成为非均匀成核的成核中心；
其三，由于结晶辅助核心所采用的非相变蓄能材料的导热率在所述相变蓄能材料处于液态时的导热率以上，因此，在PCM蓄能结构通过所述密封容器向外界放热时，结晶辅助核心的温度下降速度快于液态相变蓄能材料，造成结晶辅助核心的温度低于其周围的液态相变蓄能材料，促成液态相变蓄能材料在结晶辅助核心的表面再结晶，也即液态相变蓄能材料在每一个结晶辅助核心的表面均能够以非均匀成核方式而结晶成为固态，大大的加快了相变蓄能材料放热时由液态凝固为固态的速度；
其四，在液态相变蓄能材料在结晶辅助核心的表面以非均匀成核方式结晶的过程中，由于重力的作用下，先发生结晶的结晶辅助核心下沉，造成了液态相变蓄能材料下部的比重会大于上部，比重的变化造成了：悬浮在液态相变蓄能材料下部的结晶辅助核心受到的浮力大于重力而上升，而悬浮在液态相变蓄能材料上部的结晶辅助核心受到的重力大于浮力而下沉，也即促使了部分结晶辅助核心上升、部分结晶辅助核心下层，使得液态相变蓄能材料被搅动，液态相变蓄能材料与结晶辅助核心发生碰撞，加速了成核速度，改善了结晶质量。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明的PCM蓄能结构的剖视结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
实施例一
如图1所示，本发明公开的是一种能提高相变蓄能材料结晶速度的PCM蓄能结构，设有密封容器1和储放在所述密封容器1内的相变蓄能材料2，所述相变蓄能材料2通过所述密封容器1与外界换热。
所述的PCM蓄能结构还设有多枚放置在所述相变蓄能材料2内的结晶辅助核心3；所述结晶辅助核心3的比重与所述相变蓄能材料2处于液态时的比重相差在±10％以内，所述结晶辅助核心3由非相变蓄能材料制成，且该非相变蓄能材料满足以下特性：该非相变蓄能材料的导热率在所述相变蓄能材料2处于液态时的导热率以上，该非相变蓄能材料与处于液态下的所述相变蓄能材料2的接触角在90°以下，该非相变蓄能材料的熔点高于处于固态下的所述相变蓄能材料2 的熔点，该非相变蓄能材料不能与所述相变蓄能材料2发生化学反应。
其中，上述非相变蓄能材料的熔点特性，是为了确保相变蓄能材料2蓄热由固态熔化为液态时，结晶辅助核心3能够不被高温熔化，上述非相变蓄能材料的化学反应特性，则是确保相变蓄能材料2不会因与结晶辅助核心3发生化学反应而受到污染。
其中，优选的：相变蓄能材料2为无机水合盐。
从而，本发明的PCM蓄能结构的工作原理如下：
其一、由于结晶辅助核心3由非相变蓄能材料制成，且与处于液态下的所述相变蓄能材料2的接触角在90°以下，因此，本发明中液态的相变蓄能材料2 不仅可通过与密封容器1的内表面直接接触、还可通过与结晶辅助核心3直接接触，发生非均匀成核，大大增了了非均匀成核的面积，增加了非均匀成核的概率和速度。
其二，由于结晶辅助核心3的比重与所述相变蓄能材料2处于液态时的比重相差在±10％以内，因此，结晶辅助核心3能够悬浮在液态的相变蓄能材料2内，而不会全部沉在液态相变蓄能材料2的底部或全部浮在液态相变蓄能材料2的液面上，避免因结晶辅助核心3堆叠而造成非均匀成核面积缩小，悬浮在液态相变蓄能材料2内的每一个结晶辅助核心3均能够成为非均匀成核的成核中心。
其三，由于结晶辅助核心3所采用的非相变蓄能材料的导热率在所述相变蓄能材料2处于液态时的导热率以上，因此，在PCM蓄能结构通过所述密封容器 1向外界放热时，结晶辅助核心3的温度下降速度快于液态相变蓄能材料2，造成结晶辅助核心3的温度低于其周围的液态相变蓄能材料2，促成液态相变蓄能材料2在结晶辅助核心3的表面再结晶，也即液态相变蓄能材料2在每一个结晶辅助核心3的表面均能够以非均匀成核方式而结晶成为固态，大大的加快了相变蓄能材料2放热时由液态凝固为固态的速度。
其四，在液态相变蓄能材料2在结晶辅助核心3的表面以非均匀成核方式结晶的过程中，由于重力的作用下，先发生结晶的结晶辅助核心3下沉，造成了液态相变蓄能材料2下部的比重会大于上部，比重的变化造成了：悬浮在液态相变蓄能材料2下部的结晶辅助核心3受到的浮力大于重力而上升，而悬浮在液态相变蓄能材料2上部的结晶辅助核心3受到的重力大于浮力而下沉，也即促使了部分结晶辅助核心3上升、部分结晶辅助核心3下层，使得液态相变蓄能材料2 被搅动，液态相变蓄能材料2与结晶辅助核心3发生碰撞，加速了成核速度，改善了结晶质量。
综上所述，本发明能够提高相变蓄能材料2在放热时的晶核成核速度，使得相变蓄能材料2能够更快的由液态凝固为固态，改善了PCM蓄能结构的蓄热性能。
实施例二
在上述实施例一的基础上，本实施例二还采用了以下优选的结构：
所述结晶辅助核心3上设有开孔。开孔可通过钻孔机实现，从而，能够进一步增加结晶辅助核心3上非均匀成核的面积。
实施例三
在上述实施例一或实施例二的基础上，本实施例三还采用了以下优选的结构：
所述结晶辅助核心3采用单一的非相变蓄能材料制成，该单一的非相变蓄能材料的比重大于所述相变蓄能材料2处于液态时的比重，且所述结晶辅助核心3 上设有开孔，以降低结晶辅助核心3整体的比重，使得结晶辅助核心3能够悬浮在液态相变蓄能材料2内。
其中，优选的：所述结晶辅助核心3所采用的单一的非相变蓄能材料为水泥。
其中，优选的：所述结晶辅助核心3为水泥通过水泥造球机所制成的水泥球体。从而，能够使得本发明的实施更为经济、高效。
实施例四
在上述实施例一或实施例二的基础上，本实施例四还采用了以下优选的结构：
所述结晶辅助核心3采用两种非相变蓄能材料制成，该两种非相变蓄能材料的比重分别大于和小于所述相变蓄能材料2处于液态时的比重，且该两种非相变蓄能材料中的任意一种作为基材、另一种作为填充料，所述基材上开设有盲孔，所述填充料嵌装在该盲孔中。从而，只要合理选择两种非相变蓄能材料的比重以及使用比例，即可确保结晶辅助核心3的比重与所述相变蓄能材料2处于液态时的比重相差在±10％以内，使得结晶辅助核心3能够悬浮在液态相变蓄能材料2 内。
其中，优选的：所述结晶辅助核心3所采用的两种非相变蓄能材料分别为塑料和金属，所述塑料作为基材，所述金属作为填充料嵌装在开设有在所述塑料上的盲孔中，其中，金属可以是较大的铝或铁。
其中，优选的：所述结晶辅助核心3所采用的两种非相变蓄能材料分别为水泥制品和塑料，所述水泥制品作为基材，所述塑料作为填充料嵌装在开设有在所述水泥制品上的盲孔中。
实施例五
在上述实施例一至实施例四中任意一个实施例的基础上，本实施例五还采用了以下优选的结构：
所述相变蓄能材料2为无机相变蓄能材料或多种无机相变蓄能材料的混合材料，例如：十水硫酸钠(芒硝)、十二水硫酸铝钾(钾明矾)和三水醋酸钠中的任意一种或者它们中至少两种的混合材料。
实施例六
在上述实施例一至实施例五中任意一个实施例的基础上，本实施例六还采用了以下优选的结构：
所述密封容器1为空心球体形，所述结晶辅助核心3为球体状，所述结晶辅助核心3的直径在所述密封容器1的1/100至1/5之间，而结晶辅助核心3的数量则是根据该直径比值选择，以确保液态相变蓄能材料2内更多的分布有结晶辅助核心3，但不会影响结晶辅助核心3的上升与下沉。
本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。例如：结晶辅助核心3除了可以是球体形，也可以是柱状、胶囊状等任意适于悬浮在液态相变蓄能材料2内的形状。

Claims (6)

1.一种能提高相变蓄能材料结晶速度的PCM蓄能结构，设有密封容器(1)和储放在所述密封容器(1)内的相变蓄能材料(2)，所述相变蓄能材料(2)通过所述密封容器(1)与外界换热；其特征在于：所述的PCM蓄能结构还设有多枚放置在所述相变蓄能材料(2)内的结晶辅助核心(3)；所述结晶辅助核心(3)的比重与所述相变蓄能材料(2)处于液态时的比重相差在±10％以内，所述结晶辅助核心(3)由非相变蓄能材料制成，且该非相变蓄能材料满足以下特性：该非相变蓄能材料的导热率在所述相变蓄能材料(2)处于液态时的导热率以上，该非相变蓄能材料与处于液态下的所述相变蓄能材料(2)的接触角在90°以下，该非相变蓄能材料的熔点高于处于固态下的所述相变蓄能材料(2)的熔点；
所述结晶辅助核心(3)采用两种非相变蓄能材料制成，该两种非相变蓄能材料的比重分别大于和小于所述相变蓄能材料(2)处于液态时的比重，且该两种非相变蓄能材料中的任意一种作为基材、另一种作为填充料，所述基材上开设有盲孔，所述填充料嵌装在该盲孔中；
所述相变蓄能材料(2)为无机水合盐。
2.根据权利要求1所述能提高相变蓄能材料结晶速度的PCM蓄能结构，其特征在于：所述结晶辅助核心(3)上设有开孔。
3.根据权利要求1所述能提高相变蓄能材料结晶速度的PCM蓄能结构，其特征在于：所述结晶辅助核心(3)所采用的两种非相变蓄能材料分别为塑料和金属，所述塑料作为基材，所述金属作为填充料嵌装在开设有在所述塑料上的盲孔中。
4.根据权利要求1所述能提高相变蓄能材料结晶速度的PCM蓄能结构，其特征在于：所述结晶辅助核心(3)所采用的两种非相变蓄能材料分别为水泥制品和塑料，所述水泥制品作为基材，所述塑料作为填充料嵌装在开设有在所述水泥制品上的盲孔中。
5.根据权利要求1至4任意一项所述能提高相变蓄能材料结晶速度的PCM蓄能结构，其特征在于：所述相变蓄能材料(2)为无机相变材料。
6.根据权利要求1至4任意一项所述能提高相变蓄能材料结晶速度的PCM蓄能结构，其特征在于：所述密封容器(1)为空心球体形，所述结晶辅助核心(3)为球体状，所述结晶辅助核心(3)的直径在所述密封容器(1)的1/100至1/5之间。
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