CN109880596B - 一种梯度相变储热体及其制备方法 - Google Patents
一种梯度相变储热体及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及变材料及其热存储技术领域，特涉及一种梯度相变储热体及其制备方法。本发明的每组梯度相变单元组包括筒状偏外相变层、筒状偏内相变层和导热分隔膜，导热分隔膜设置在筒状偏外相变层、筒状偏内相变层之间，从内到外各层相变材料的相变温度从高到低依次递减，当为1组以上的梯度相变单元组时，每两组梯度相变单元组设置导热分隔膜。本发明从内到外自然形成的高低温差可被相变储热体从内到外对应地进行热交换。
Description
技术领域
本发明涉及变材料及其热存储技术领域，特涉及一种梯度相变储热体及其制备方法。
背景技术
相变储热利用材料在熔点处的吸、放热实现等温储热，相对于显热储热方式，效率更高。
储热体最外层与外界环境最接近，不可避免地发生散热，导致储热体外层温度比内层低，形成一个外冷内热的状态，如果按照内热外冷的顺序依次设置多层内高外低相变温度的相变材料进行储热，则各个层次都可以最大程度地接近相变工作状态，最大程度减小显热的占比，最高效率地储热，目前，国内外此类技术方法比较少见。
中国专利CN105509528A公开了《一种多级梯度相变蓄冷器》，它是将多级不同相变温度的相变层依次从上到下排列起来，实现换热介质依次与各级相变层换热，这样，当流体换热介质在换热过程中由于进行了热交换，其自身温度不断改变，正好与多层不同相变温度点的相变蓄热层进行高效的相变换热，该专利无法用于储热体内外层温差的高效相变换热；中国专利CN108413796A公开了《一种温度梯度储能换热器》，它也是利用多个储热夹板层叠起来实现梯度换热，该专利同样无法用于储热体内外层温差的高效相变换热。中国专利CN106940148A公开了一种《变梯度分形点阵夹芯强化相变热沉》，其原理是按照变梯度方式将相变夹芯依次排列成为阵列，提高换热效率，其基本结构也是按照热流方向进行层叠；中国专利CN106221676A公开了一种《多相变点的相变蓄热材料及其制备工艺》，其原理是将多种不同相变点的相变材料混合，构成一种具有多个相变温度的分级相变材料，由于各相变材料混合，已经没有层级依次换热的作用。与该专利类似的还有中国专利CN106634856A和CN106675525A。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种梯度相变储热体及其制备方法。本发明的相变储热体是一种多层的筒状体，从内到外的每一层依次从高到低设置不同相变温度点的相变材料，构成一种梯度相变储热体。该相变储热体可以从内到外依次对温度从高到低的热进行相变热交换，使每个层的热交换都达到高效的相变热交换，这样，相变储热体在储热期间从内到外自然形成的高低温差就可以被相变储热体从内到外对应地进行热交换。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种梯度相变储热体，包括1组或1组以上的梯度相变单元组，其特征在于：每组梯度相变单元组包括一层筒状偏外相变层、一层筒状偏内相变层和导热分隔膜，导热分隔膜设置在筒状偏外相变层、筒状偏内相变层之间，从内到外各层相变材料的相变温度从高到低递减，当为1组以上的梯度相变单元组时，每两组梯度相变单元组设置导热分隔膜。
根据如上所述的一种梯度相变储热体，其特征在于：包括3组梯度相变单元组，从内至外筒状偏内相变层、筒状偏外相变层依次选聚氧化乙烯4～500万、聚氧化乙烯3～400万、聚氧化乙烯2～300万、聚氧化乙烯1～200万、聚氧化乙烯50～100万、聚氧化乙烯10～50万作为相变材料。
根据如上所述的一种梯度相变储热体，其特征在于：包括3组梯度相变单元组，从内至外筒状偏内相变层、筒状偏外相变层依次选聚氧化乙烯10万～50万、聚氧化乙烯2.5万～4万、聚氧化乙烯1万～2万、聚氧化乙烯0.5万～1万、聚氧化乙烯4000、聚氧化乙烯2000作为相变材料。
根据如上所述的一种梯度相变储热体，其特征在于：包括3组梯度相变单元组，从内至外筒状偏内相变层、筒状偏外相变层依次选聚氧化乙烯2000、聚氧化乙烯1500、聚氧化乙烯1000、聚氧化乙烯800、聚氧化乙烯600、聚氧化乙烯400作为相变材料。
根据如上所述的一种梯度相变储热体，其特征在于：还包括中心换热组件，中心换热组件包括放热管、取热管，中心换热组件置于相变储热体中心轴线处，中心换热组件被一组或多组梯度相变单元组套装在里面。
根据如上所述的一种梯度相变储热体，其特征在于：放热管和取热管为环形状、螺旋形、翅片组或折线形状，弯折成为U形或卷绕成为螺旋形，放热管、取热管为紫铜管。
根据如上所述的一种梯度相变储热体，其特征在于：筒状偏外相变层、筒状偏内相变层为同质相变材料。
根据如上所述的一种梯度相变储热体，其特征在于：还包括筒状外壳和安全空间，多组梯度相变单元组置于筒状外壳中，预留安全空间后在筒状外壳两端灌注封装材料密封,筒状外壳、筒状偏外相变层、筒状偏内相变层为圆筒、方筒、三角筒、梯形筒或梅花形筒。
根据如上所述的一种梯度相变储热体，其特征在于：导热分隔膜为铝箔、铜箔、锡箔或石墨纸中的一种。
本发明还公开了一种梯度相变储热体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
将中心换热组件置于比其外径大的灌注模具之中，随后在压力下灌注第一组筒状偏内相变层相变材料，冷却固化、开模、取出，然后在其外缠绕导热分隔膜，再置于比其外径大的另外一组的灌注模具之中，随后在压力下灌注第一组偏外相变层相变材料，冷却固化、开模、取出，然后在其外缠绕导热分隔膜，制备多组梯度相变单元组，采用更大的灌注模具重复以上步骤。
本发明有益效果是：由于多层包裹的梯度相变材料完全适应储热体外冷内热的自然状态，每一温度层都有对应的相变点储热层，使传热和储热过程最大程度地接近相变热交换，达到高效传热和储热。本发明的梯度相变储热体工作过程中，介质无需流动，可以长期储热。本发明的相变材料优选聚氧化乙烯，这样本发明的材料为同质材料，由于同质的、不同相变点的多个相变材料具有良好的相容性，最大程度地减小了相分离造成的隔热裂隙，提高了材料的导热性能。其次同质的、不同相变点的多个相变材料均质地弥散混合并且始终至少存在一组固态组分，高相变温度的分子材料形成类似海绵的固相连续或离散的网状形态，即材料自身也可以构成一种定形材料，减缓了低熔点液相组分的外泄或流失。最后同质的、不同相变点的多个相变材料的分子结构相同，使高熔点组分兼做地熔点组分的自诱导结晶成核，使本发明的材料可以减少或者省去成核剂，即本发明的材料可以自成核。
附图说明
图1是本发明的中心换热组件6,包括放热管6.1，取热管6.2,里面灌注有组内筒状偏内相变层3.1，外层是第一层热分隔膜4.1。
图2是本发明1组梯度相变单元组7的内部结构示意图，包括筒状偏外相变层2、筒状偏内相变层3、导热分隔膜4，其中最内和最外层的导热分隔膜4与其他相邻相变单元组7共有。
图3是在图1的基础上，安装了筒状外壳1。在中心换热组件6和筒状外壳1之间的空间可以装入一组或多组梯度相变单元组7。
图4是灌注系列模具结构示意图。
图5是整体结构示意图，包括灌注料预留的安全空间8。
附图中的标记说明：
1—筒状外壳，2—筒状偏外相变层，2.1～2.3—第1～3层筒状偏外相变层，3—筒状偏内相变层，3.1～3.3—第1～3层筒状偏内相变层，4—导热分隔膜，4.1～4.6—第1～6层导热分隔膜，5—灌注模具，5.10—卡环，5.11—灌注口，5.12—腔体，5.13—上半模，5.14—下半模，6—中心换热组件，6.1—放热管，6.2—取热管，7—梯度相变单元组，8—安全空间。
具体实施方式
名词说明:聚氧化乙烯是一种水溶性树脂。本领域中，在相对分子质量200～25000的产品也被称为聚乙二醇,其分子结构为(CH2CH2O)，本文统称为聚氧化乙烯。
本发明中，百分比为重量百分比。
同质即为同一种物质，其分子结构相同，但分子量不同。
以下结合附图对本发明实施例作进一步说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内，本技术方案中未详细述及的，均为公知技术。
实施例一
筒状外壳1材质为塑料圆筒，直径200mm，长度300mm，壁厚2mm。
导热分隔膜4采用铝箔，放热管6.1、取热管6.2采用内径12mm紫铜管，弯折成为U形，包括外接段的长度400mm。构成的中心换热组件6外径90mm。
梯度相变单元组7设为3组，单层厚度7.5mm，总层厚度45mm，总体外径180mm，图2为1组梯度相变单元组7的结构示意图,从图2中可知，1组梯度相变单元组7只包括一层筒状偏内相变层、一层筒状偏外相变层，一层筒状偏外相变层设置在一层筒状偏内相变层外层，其中间设置导热分隔膜4，筒状偏内相变层和筒状偏外相变层为不同熔点相变材料，优选同质相变材料。
本实施例包括3组梯度相变单元组7，从内至外筒状偏内相变层、筒状偏外相变层(3.1、2.1、3.2、2.2、3.3、2.3)依次选聚氧化乙烯4～500万、聚氧化乙烯3～400万、聚氧化乙烯2～300万、聚氧化乙烯1～200万、聚氧化乙烯50～100万、聚氧化乙烯10～50万作为相变材料，每一种占比83～89.5％，其余组分为：0.5～2％的吩噻嗪，10～15％的石墨粉。依次通过60℃注射机混合后压住到对应的模具之中，冷却固化后再压注另外一层。即从内到外各层相变材料的相变温度从高到低依次递减。
将中心换热组件6在相变储热体中心轴线处。安全间隙10mm。两端灌注发泡聚氨酯封装材料密封。
实测的相变温度140～65℃,平均相变焓162KJ/kg。
实施例二
筒状外壳1材质为塑料圆筒，直径290mm，长度500mm，壁厚4mm。
导热分隔膜4采用铜箔，放热管6.1、取热管6.2采用内径12mm紫铜管，卷绕成为螺旋形，包括外接段的长度600mm。放热管6.1和取热管6.2的外径分别为110mm和80mm，构成的中心换热组件6外径120mm。
梯度相变单元组7设为3组，单层厚度12.5mm，总层厚度75mm，总体外径270mm。
从内至外筒状偏内相变层、筒状偏外相变层(3.1、2.1、3.2、2.2、3.3、2.3)依次选聚氧化乙烯10万～50万、聚氧化乙烯2.5万～4万、聚氧化乙烯1万～2万、聚氧化乙烯0.5万～1万、聚氧化乙烯4000、聚氧化乙烯2000作为相变材料，每一种占比83～89.5％，其余组分为：0.5～2％的水杨酸酯，10～15％的膨胀石墨。依次通过60℃注射机混合后压住到对应的模具之中，冷却固化后再压注另外一层。
将换热组件设置6在相变储热体中心轴线处。安全间隙10mm。两端灌注发泡聚氨酯封装材料密封。
实测的相变温度51～65℃,平均相变焓165KJ/kg。
实施例三
筒状外壳1材质为塑料圆筒，直径200mm，长度300mm，壁厚2mm。
导热分隔膜4采用石墨纸，放热管6.1、取热管6.2采用内径12mm紫铜管，弯折成为多重U形，包括外接段的长度400mm。构成的中心换热组件6外径90mm。
梯度相变单元组7设为3组，单层厚度7.5mm，总层厚度45mm，总体外径180mm。
从内至外筒状偏内相变层、筒状偏外相变层(3.1、2.1、3.2、2.2、3.3、2.3)依次选聚氧化乙烯2000、聚氧化乙烯1500、聚氧化乙烯1000、聚氧化乙烯800、聚氧化乙烯600、聚氧化乙烯400作为相变材料，每一种占比83～89.5％，其余组分为：0.5～2％的BHA，10～15％的泡沫铝。依次通过60℃注射机混合后压住到对应的模具之中，冷却固化后再压注另外一层。
将中心换热组件6在相变储热体中心轴线处。安全间隙10mm。两端灌注发泡聚氨酯封装材料密封。
实测的相变温度5～51℃,平均相变焓151KJ/kg。
本发明的中心换热组件6置于与之外径相同的已经闭模的灌注模具5中的卡环5.10上面，附图4是灌注模具5半模的开模状态，灌注模具5由上半模5.13和下半模5.14组成，上半模5.13和下半模5.14都开挖腔体5.12，上半模5.13和下半模5.14两端开设卡环5.10，其中一个半模上开设灌注口5.11，图4中下半模5.14设置灌注口5.11。灌注口5.11和腔体5.12的内径尺寸根据所需的梯度相变单元组7的内外径要求确定。将最偏内一组的筒状偏内相变层3.1相变材料相同的相变材料加热熔融后在压力下通过灌注模具5中的灌注口5.11灌注到中心换热组件6的所有外空余空间中，并冷却固化、开模、取出，然后在其外缠绕导热分隔膜4。灌注模具5有多组尺寸，分别对应一组尺寸的梯度相变单元组7。
本发明将上述已完善的中心换热组件6置于比其外径大一些(增大值等于筒状偏内相变层3.1两倍壁厚)的另外一组不同尺寸的灌注模具5之中，随后在压力下灌注第一组筒状偏内相变层3.1相变材料，冷却固化、开模、取出，然后在其外缠绕导热分隔膜4，并置于比其外径大一些(增大值等于筒状偏内相变层2.1两倍壁厚)的另外一组不同尺寸的灌注模具5之中，随后在压力下灌注第一组偏外相变层2.1相变材料，冷却固化、开模、取出，然后在其外缠绕导热分隔膜4。至此，第一组梯度相变单元组制备完成。
重复上一段落所述过程：采用第二组筒状偏内相变层3.2、第一组偏外相变层2.2、导热分隔膜4，借用另外一组不同尺寸的两组灌注模具5完成第二组梯度相变单元组。
重复上一段落所述过程其余各组梯度相变单元组。
最后，将上述多组梯度相变单元组置于筒状外壳1中，预留一定安全空间8后在筒状外壳1两端灌注封装材料密封。
本发明中，筒状偏外相变层2的相变温度比筒状偏内相变层3的相变温度低，具体根据实际所选相变材料的熔点确定。
本发明中，导热分隔膜4可以是铝箔、铜箔、锡箔、石墨纸中的一种，优选铝箔。
本发明中，中心换热组件6置于相变储热体中心轴线处，并且被上述一组或多组梯度相变单元组7套装在里面。
本发明中，筒状外壳1、筒状偏外相变层2、筒状偏内相变层3的外围可以是圆筒、方筒、三角筒、梯形筒、梅花形筒以及其他用户要求形状的筒，也可以是球形“筒”，优选圆筒。
本发明中，梯度相变材料选择相变点呈现梯度变化的材料。可以选择无机水和盐、有机相变材料、高分子材料。可以是不同质的，也可以是同质的，优选同质材料聚氧化乙烯。
本发明的梯度相变材料根据需要，还应包含抗氧剂、导热剂和定形剂。抗氧剂为吩噻嗪、水杨酸酯、BHA中的一种或多种，优选水杨酸酯，添加量0.5-2％。导热剂为石墨粉、铜粉、膨胀石墨、泡沫铝中的一种或多种，添加量5-15％。定形剂为膨胀珍珠岩、蒙脱土、膨胀石墨、泡沫铝、石墨粉中的一种或多种。
本发明的放热管6.1和取热管6.2可以设计成为环形状，以增加换热面积。
本发明的放热管6.1和取热管6.2可以设计成为螺旋形，以增加换热面积。
本发明的放热管6.1和取热管6.2上可以设置翅片组，以增加换热面积。
本发明的放热管6.1和取热管6.2上可以设计成为折线形状，以增加换热面积。
本发明的梯度相变储热体具体工作过程如下：设各层相变材料从外到内的相变温度点依次从低到高，具体层数以及各层相变点根据实际用途确定。
热流体流过中心换热组件6中的放热管6.1，向与之紧贴的筒状偏内相变层3.1以及依次套装的筒状偏外相变层2.1)、筒状偏内相变层3.2、筒状偏外相变层2.2、筒状偏内相变层3.n、筒状偏偏外相变层2.n放热，实现各层储热。由于环境热损失，造成外层温度比内层低，正好符合各层相变点从外到内依次增高的趋势，因此，可以使各段温度都可以最大程度地获得最佳相变储热状态。
取热过程与上述相反：各相变储热层依次向中心处的取热管6.2放热，取热管6.2内有取热流体通过。
Claims (8)
1.一种梯度相变储热体，包括1组或1组以上的梯度相变单元组，其特征在于：每组梯度相变单元组包括一层筒状偏外相变层、一层筒状偏内相变层和导热分隔膜，导热分隔膜设置在筒状偏外相变层、筒状偏内相变层之间，从内到外各层相变材料的相变温度从高到低递减，当为1组以上的梯度相变单元组时，每两组梯度相变单元组设置导热分隔膜，还包括中心换热组件，中心换热组件包括放热管、取热管，中心换热组件置于相变储热体中心轴线处，中心换热组件被一组或多组梯度相变单元组套装在里面。
2.根据权利要求1所述的一种梯度相变储热体，其特征在于：包括3组梯度相变单元组，从内至外筒状偏内相变层、筒状偏外相变层依次选聚氧化乙烯10万~50万、聚氧化乙烯2.5万~4万、聚氧化乙烯1万~2万、聚氧化乙烯0.5万~1万、聚氧化乙烯4000、聚氧化乙烯2000作为相变材料。
3.根据权利要求1所述的一种梯度相变储热体，其特征在于：包括3组梯度相变单元组，从内至外筒状偏内相变层、筒状偏外相变层依次选聚氧化乙烯2000、聚氧化乙烯1500、聚氧化乙烯1000、聚氧化乙烯800、聚氧化乙烯600、聚氧化乙烯400作为相变材料。
4.根据权利要求1所述的一种梯度相变储热体，其特征在于：放热管和取热管为环形状、螺旋形、翅片组或折线形状，弯折成为U形或卷绕成为螺旋形，放热管、取热管为紫铜管。
5.根据权利要求1所述的一种梯度相变储热体，其特征在于：筒状偏外相变层、筒状偏内相变层为同质相变材料。
6.根据权利要求1所述的一种梯度相变储热体，其特征在于：还包括筒状外壳和安全空间，多组梯度相变单元组置于筒状外壳中，预留安全空间后在筒状外壳两端灌注封装材料密封,筒状外壳、筒状偏外相变层、筒状偏内相变层为圆筒、方筒、三角筒、梯形筒或梅花形筒。
7.根据权利要求1所述的一种梯度相变储热体，其特征在于：导热分隔膜为铝箔、铜箔、锡箔或石墨纸中的一种，其加工过程为：将中心换热组件置于比其外径大的灌注模具之中，随后在压力下灌注第一组筒状偏内相变层相变材料，冷却固化、开模、取出，然后在其外缠绕导热分隔膜，再置于比其外径大的另外一组的灌注模具之中，随后在压力下灌注第一组偏外相变层相变材料，冷却固化、开模、取出，然后在其外缠绕导热分隔膜，当制备多组梯度相变单元组，采用更大的灌注模具重复以上步骤。
8.一种梯度相变储热体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
将中心换热组件置于比其外径大的灌注模具之中，随后在压力下灌注第一组筒状偏内相变层相变材料，冷却固化、开模、取出，然后在其外缠绕导热分隔膜，再置于比其外径大的另外一组的灌注模具之中，随后在压力下灌注第一组偏外相变层相变材料，冷却固化、开模、取出，然后在其外缠绕导热分隔膜，当制备多组梯度相变单元组，采用更大的灌注模具重复以上步骤。
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Denomination of invention: A gradient phase change thermal storage material and its preparation method Effective date of registration: 20230414 Granted publication date: 20210302 Pledgee: Wuhan rural commercial bank Limited by Share Ltd. Yangluo Economic Development Zone Branch Pledgor: WUHAN BLOOMING LOW CARBON INDUSTRY CO.,LTD. Registration number: Y2023420000160 |
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