CN110373160A - 一种热相变储热材料在可移动多功能储热装置中的应用 - Google Patents

一种热相变储热材料在可移动多功能储热装置中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热相变储热材料在可移动多功能储热装置中的应用，属于节能装置技术领域。本发明所述可移动多功能储热装置，包括外壳体、内壳体、设置在所述外壳体和所述内壳体之间的保温层、镶嵌于所述内壳体内侧的多个间隔设置的复合相变储热材料蓄热单元、连接至所述热相变储热材料蓄热单元的测温装置以及设置在所述外壳体外侧的滑动扣，所述热相变储热材料蓄热单元的内部和间隙设置有换热管道。本发明可移动的多功能储热装置以辐射和对流的传热方式将热量存储至可移动的多功能储热装置内，通过将可移动的多功能储热装置移动至用户地点可进行高效的供热输出，并可通过简单的集成，提高整体储热能力，进一步实现散热余热的储存转移与利用。

Description

一种热相变储热材料在可移动多功能储热装置中的应用
技术领域
本发明涉及相变储热材料与节能装置技术领域，具体而言，涉及一种热相变储热材料在可移动多功能储热装置中的应用。
背景技术
我国电厂及锅炉取暖行业能源利用水平较低， 特别对于中低温的热源来说，余热浪费严重。如何将这些工业低品味余热用于农村及城镇供暖，对于雾霾笼罩的北方城市而言，具有非常重要的现实意义。考虑到低品味余热种类繁杂，其热源形态、数量、时间和空间均具有极大的不确定性和不稳定性，因此，需要一种高效利用低品味余热的技术和装置。其中，热相变储能技术是一种有效实现高效利用低品味余热散热的方法，通过回收低品味余热和电力调峰用于供暖，为用户提供蒸汽和热水，提升生活品质。
相变储能技术利用相变材料（Phase change materials, PCMs）的蓄热储能功能对能量进行管理。因此，相变技术在工业余热回收、太阳能利用、建筑节能和大体积混凝土水化热控制等领域得到了广泛的应用。相变储能材料作为一种清洁高效的热能储存材料，具有移峰用电峰谷、降低电力负荷和节约电能等优点，其在热储能、建筑节能、电力调峰等方面具有广阔的应用前景。
当前，如何解决工业散热余热的储热问题是移动储热技术大规模推广应用的挑战，特别是实现稳定的热蒸汽且热量方面，实现梯级储热，提高了储热效率，最后实现废热和余热的存储与转移，关键在于可移动式的多功能储热设备的设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热相变储热材料在可移动多功能储热装置中的应用。该储热装置具有灵活的移动性和多功能相变储热能力，能够有效回收工业散热余热，并达到较好的储能效果。
本发明的目的是这样实现的：
一种热相变储热材料在可移动多功能储热装置中的应用，其包括外壳体、内壳体、设置在外壳体和内壳体之间的保温层、镶嵌于内壳体内侧的多个间隔设置的热相变储热材料蓄热单元、连接至热相变储热材料蓄热单元的测温装置以及设置在外壳体外侧的滑动扣，热相变储热材料蓄热单元的内部和间隙设置有换热管道，外壳体上设置有进出水口A和进出水口B，进出水口A和进出水口B贯穿外壳体、保温层和内壳体，并连通至换热管道。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，换热管道为导热铜换热管道，上述热相变储热材料蓄热单元均匀分布在内壳体内。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述热相变储热材料蓄热单元的个数为4个，且相互间隔设置形成十字形间隙。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述热相变储热材料蓄热单元包括至少一个由复合相变储热材料构成的蓄热体；所述的复合相变储热材料，按质量分数计，包括：无机水合盐类相变材料50-80 wt%，多孔细菌纤维素5-45 wt%，表面活性剂5-8 wt%。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述的复合相变储热材料由以下步骤制得：
步骤1），在无机水合盐相变材料中加入去离子水进行湿润，然后将其置于烘箱加热，使得无机水合盐相变材料熔融均匀，制得无机水合盐相变材料液体；
步骤2），将表面活性剂加入步骤1）的无机水合盐相变材料液体中，超声分散，形成稳定乳液；
步骤3），将多孔细菌纤维素加入步骤2）制得的稳定乳液中，搅拌分散均匀，制得混合物；
步骤4），将步骤3）制得的混合物放入真空烘箱中，抽真空处理，室温恒定；即得复合相变储热材料。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述的无机水合盐类相变材料选自Ba(OH)2·8H2O，Na2SO4·10H2O，CaCl2·10H2O，Na2HPO4·10H2O，Na2CO3·10H2O中的一种或二种以上；
所述的多孔细菌纤维素具有多孔结构和纳米纤维网络结构；
所述的表面活性剂选自OP-10，十二烷基苯硫酸钠，十二烷基硫酸钠，CTAB中的一种或二种以上。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述的多孔细菌纤维素，由以下步骤制得：1）将细菌纤维素浸泡在去离子水中，至pH=7后，切成块状，并将块状细菌纤维素清洗干净后进行冷冻干燥；2）在 N2保护的条件下，对冷冻干燥后的细菌纤维素进行程序升温加热碳化，得到多孔细菌纤维素；
所述的程序升温加热碳化的条件为：以1.5°C/min的速率升温至 350°C ，恒温1 h；再以3°C/min 的速率升温至800 °C，恒温2 h；
所述多孔细菌纤维素的孔径为100-800 nm，密度为0.3-0.8 g/cm3。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述测温装置的形状为立方块。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述热相变储热材料蓄热单元、热电偶和温度显示器依次连接。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述保温层为保温泡沫材料层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1）本发明将热相变储热材料应用在可移动多功能储热装置中，装置以辐射和对流的传热方式将热量存储至可移动的多功能储热装置内，通过灵活的将可移动的多功能储热装置移动至用户地点，可进行高效地供热输出。可移动的多功能储热装置可以通过简单的集成，提高整体储热能力，进一步实现散热余热的储存转移与利用。
2）本发明优选的复合相变储热材料具有优良的导热性能和相变储热性能，该复合相变储热材料采用表面活性剂对无机水合盐相变材料进行乳化分散，形成稳定的胶束，使无机水合盐相变材料表面呈现亲油性能，加强了其与多孔细菌纤维素材料内表面的作用力，被多孔细菌纤维素材料吸附得更加牢固与紧密，在相变时不容易发生泄漏，从而呈现为性能稳定的复合定形相变储热材料。
3）本发明的复合相变储热材料制备方法简单，成本低廉。所制得的复合相变储热材料导热系数大，多孔细菌纤维素材料较高的导热性能赋予复合定形相变储热材料较好的热传导特性。使用安全方便，该复合定形相变储热材料无毒、无蚀、无泄漏、不存在可燃性问题、且不需封装。
附图说明
图1为本发明实施例1可移动的多功能储热装置的机构示意图。
图2是本发明实施例2中制备的多孔细菌纤维素的过程示意图。
图标：1-外壳体；2-内壳体；3-热相变储热材料蓄热单元；4-保温层；5-测温装置；6-滑动扣；8-进出水口A；9-进出水口B；11-换热管道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种可移动的多功能储热装置，其包括外壳体1、内壳体2、保温层4、四个热相变储热材料蓄热单元3、测温装置5以及滑动扣6。外壳体1和内壳体2相互套设，保温层4设置在外壳体1和内壳体2之间，以防止可移动的多功能储热装置的热量流失。四个热相变储热材料蓄热单元3均匀分布在内壳体2内，且相互之间具有间隙。测温装置5与热相变储热材料蓄热单元3连接，用于检测热相变储热材料蓄热单元3的温度。滑动扣6设置在外壳体1外侧，用于实现可移动的多功能储热装置的可滑动式移动。
外壳体1和内壳体2相互套设，外壳体1由铁制材料构成，内壳体2由不锈钢材料构成，采用上述材料作为外壳体1和内壳体2时，内壳体2的导热系数大于外壳体1，能够尽可能的将热量留在可移动的多功能储热装置中。内壳体2材质要求具有高温抗强碱腐蚀性能。外壳体1上设置有进出水口A8和进出水口B9，进出水口A8和进出水口B9贯穿外壳体1、保温层4和内壳体2。进出水口A8作为水的入口时，进出水口B9作为水的出口。进出水口A8作为水的出口时，进出水口B9作为水的入口。进出水口A8和进出水口B9贯穿外壳体1、保温层4和内壳体2，并连通至换热管道11。
用于防止可移动的多功能储热装置的热量流失的保温层4设置在外壳体1和内壳体2之间，且保温层4为为保温泡沫材料层，其材料为轻质耐火的保温泡沫材料。上述保温泡沫材料层保温性好，质量轻。需要说明的是，在本实施例中保温层4选用的是保温泡沫材料层，在其他实施例中，上述保温层4可以是其他的无机材料或者金属材料构成的保温层4，只要能实现保温的技术效果都在本实施例的保护范围中。
设置在内壳体2内的热相变储热材料蓄热单元3为4个。上述热相变储热材料蓄热单元3均匀分布在内壳体2内，且间隔设置形成十字形间隙，上述间隙中和热相变储热材料蓄热单元3的内部设置有相互连通的换热管道11。需要说明的是，在本实施例中，上述热相变储热材料蓄热单元3的个数为4个，并且相互间隔形成十字形间隙。在其他实施例中热相变储热材料蓄热单元3的个数也可以是其他数目，也可以形成其他形状的间隙，例如，热相变储热材料蓄热单元3的个数可以为9个，并且相互间隔形成井字形间隙，都能实现本实施例储存热量的技术效果，都在本实施例的保护范围中。上述换热管道11为导热铜换热管道11，热相变储热材料蓄热单元3包括至少一个由复合相变储热材料构成的蓄热体，上述蓄热体是储存热量的核心。
测温装置5的形状为立方块，与热相变储热材料蓄热单元3连接，用于检测热相变储热材料蓄热单元3的温度。测温装置5包括热电偶和温度显示器，热相变储热材料蓄热单元3、热电偶和温度显示器依次连接。热相变储热材料蓄热单元3的温度传给热电偶经过转化后传给温度显示器。
本发明提供的可移动的多功能储热装置的工作原理是：上述可移动的多功能储热装置通过动力设备将携带散热余热的热水引导入换热管道11，进而将热量储存在热相变储热材料蓄热单元体系，热水通过热传导将热量传递给热相变储热材料蓄热单元3，发生相变进行热量存储。在储存热过程中，通过测温装置5中的温度实时观察储热放热过程。当温度升至相变材料的相变温度时，表明储热装置充满能量，此时停止热交换。借助可滑动式移动，将可移动的多功能储热装置移至用户需求点，通过抽水泵将冷水经由进出水口A8打入可移动的多功能储热装置中，通过内部管道的热交换，实现冷水的加热升温过程。在这一过程中，通过更换不同能量密度的储热材料可以实现不同梯次的热需求。当测温装置5中的温度显示装置上的温度数值降低至接近热用户需求温度时，则通过移动可移动的多功能储热装置至热源取热位置，以进行下一次取热过程。
综上所述，本发明提供一种可移动的多功能储热装置，上述装置以辐射和对流的传热方式将热量存储至可移动的多功能储热装置内，通过灵活的将可移动的多功能储热装置移动至用户地点可进行高效的供热输出。可移动的多功能储热装置可以通过简单的集成，提高整体储热能力，进一步实现散热余热的储存转移与利用。
在实施例1中的热相变储热材料蓄热单元3所包括的至少一个由复合相变储热材料构成的蓄热体，该复合相变储热材料也可以选择如下实施例2-5而制得。
实施例2
1）多孔细菌纤维素的制备：将在去离子水中泡至pH=7的细菌纤维素BC切成小块状（约1×1cm），将块状BC清洗干净后置于冰箱冷冻，冷冻干燥24 h。将所得样品放入管式炉中，在N2保护的条件下，程序升温加热碳化，以1.5 °C/min的速率升温至350°C 恒温1 h，再以3 °C/min 的速率升温至800 °C恒温2 h后得到多孔细菌纤维素。其制备过程示意图如图2所示。
2）称取0.5 gBa(OH)2·8H2O放入杯中，加入少量去离子水（去离子水刚好湿润固体颗粒即可），然后将其于80℃的共箱中加热2小时，使Ba(OH)2·8H2O完全熔化，然后加入0.08g 表面活性剂OP-10，超声分散30min，形成稳定的乳液。将0.5g 细菌纤维素加入乳液中，搅拌分散均匀，将该混合物放入真空烘箱中，抽真空，室温恒定30 min，完成吸附过程,取出即得到复合定形相变储热材料。
实施例3
1）多孔细菌纤维素的制备：将在去离子水中泡至pH=7的细菌纤维素BC切成小块状（约1×1cm），将块状BC清洗干净后置于冰箱冷冻，冷冻干燥24 h。将所得样品放入管式炉中，在N2保护的条件下，程序升温加热碳化，以1.5 °C/min的速率升温至350 °C 恒温1 h，再以3°C/min 的速率升温至800 °C恒温2 h后得到多孔细菌纤维素。
2）称取0.5 g Na2SO4・10H2O放入杯中，加入少量去离子水（去离子水刚好湿润固体颗粒即可），然后将其于80 °C共箱中加热2小时，使Na2SO4・10H2O完全熔化，然后加入0.08 g表面活性剂OP-10，超声分散30 min，形成稳定的乳液。将0. 5g 多孔细菌纤维素加入乳液中，搅拌分散均匀，将该混合物放入真空烘箱中，抽真空，室温恒定30 min，完成吸附过程，取出即得到复合定形相变储热材料。
实施例4
1）多孔细菌纤维素的制备：将在去离子水中泡至pH=7的细菌纤维素BC切成小块状（约1×1cm），将块状BC清洗干净后置于冰箱冷冻，随后冷冻干燥24 h。将所得样品放入管式炉中，在N2保护的条件下，程序升温加热碳化，以1.5 °C/min的速率升温至350 °C 恒温1 h，再以3 °C/min 的速率升温至800 °C恒温2 h后得到多孔细菌纤维素。
2）称取0.5 g CaCl2・10H2O放入杯中，加入少量去离子水（去离子水刚好湿润固体颗粒即可），然后将其于80℃的共箱中加热2小时，使CaCl2・10H2O完全熔化，然后加入0.08 g表面活性剂十二烷基苯硫酸钠，超声分散30 min，形成稳定的乳液。将0.5g多孔细菌纤维素加入乳液中，搅拌分散均匀，将该混合物放入真空烘箱中，抽真空，室温恒定30 min，完成吸附过程，取出即得到复合定形相变储热材料。
实施例5
1）多孔细菌纤维素的制备：将在去离子水中泡至pH=7的细菌纤维素BC切成小块状（约1×1cm），将块状BC清洗干净后置于冰箱冷冻，冷冻干燥24 h。将所得样品放入管式炉中，在N2保护的条件下，程序升温加热碳化，以1.5 °C/min的速率升温至350 °C 恒温1 h，再以3°C/min 的速率升温至800°C恒温2 h后得到多孔细菌纤维素。
2）称取0.5 g Na2HPO4・10H2O放入杯中，加入少量去离子水（去离子水刚好湿润固体颗粒即可），然后将其于80 °C共箱中加热2小时，使Na2HPO4・10H2O完全熔化，然后加入0.08 g表面活性剂十二烷基硫酸钠，超声分散30 min，形成稳定的乳液。将0.5 g 多孔细菌纤维素加入乳液中，搅拌分散均匀，将该混合物放入真空烘箱中，抽真空，室温恒定30 min，完成吸附过程，取出即得到复合定形相变储热材料。
实施例6
1）多孔细菌纤维素的制备：将在去离子水中泡至pH=7的细菌纤维素BC切成小块状（约1×1cm），将块状BC清洗干净后置于冰箱冷冻，冷冻干燥24 h。将所得样品放入管式炉中，在N2保护的条件下，程序升温加热碳化，以1.5 °C/min的速率升温至350 °C 恒温1 h，再以3°C/min 的速率升温至800°C恒温2 h后得到多孔细菌纤维素。
2）称取0.5 g Na2CO3・10H2O放入杯中，加入少量去离子水（去离子水刚好湿润固体颗粒即可），然后将其于80℃的共箱中加热2小时，使Na2CO3・10H2O完全熔化，然后加入0.07g 表面活性剂CTAB，超声分散30min，形成稳定的乳液。将0.5 g 多孔细菌纤维素加入乳液中，搅拌分散均匀，将该混合物放入真空烘箱中，抽真空，室温恒定30 min，完成吸附过程，取出即得到复合定形相变储热材料。

Claims (10)

1.一种热相变储热材料在可移动多功能储热装置中的应用，其特征在于：所述可移动多功能储热装置，包括外壳体、内壳体、设置在所述外壳体和所述内壳体之间的保温层、镶嵌于所述内壳体内侧的多个间隔设置的复合相变储热材料蓄热单元、连接至所述热相变储热材料蓄热单元的测温装置以及设置在所述外壳体外侧的滑动扣，所述热相变储热材料蓄热单元的内部和间隙设置有换热管道，所述外壳体上设置有进出水口A和进出水口B，所述进出水口A和所述进出水口B贯穿所述外壳体、所述保温层和所述内壳体，并连通至所述换热管道。
2.根据权利要求1所述的一种热相变储热材料在可移动多功能储热装置中的应用，其特征在于：所述换热管道为导热铜换热管道；所述复合相变储热材料蓄热单元均匀分布在所述内壳体内。
3.根据权利要求2所述的一种热相变储热材料在可移动多功能储热装置中的应用，其特征在于：所述热相变储热材料蓄热单元的个数为4个，且相互间隔设置形成十字形间隙。
4.根据权利要求3所述的一种热相变储热材料在可移动多功能储热装置中的应用，其特征在于：所述热相变储热材料蓄热单元包括至少一个由复合相变储热材料构成的蓄热体；所述的复合相变储热材料，按质量分数计，包括：无机水合盐类相变材料50-80 wt%，多孔细菌纤维素5-45 wt%，表面活性剂5-8 wt%。
5.根据权利要求4所述的一种热相变储热材料在可移动多功能储热装置中的应用，其特征在于：所述的复合相变储热材料由以下步骤制得：
步骤1），在无机水合盐相变材料中加入去离子水进行湿润，然后将其置于烘箱加热，使得无机水合盐相变材料熔融均匀，制得无机水合盐相变材料液体；
步骤2），将表面活性剂加入步骤1）的无机水合盐相变材料液体中，超声分散，形成稳定乳液；
步骤3），将多孔细菌纤维素加入步骤2）制得的稳定乳液中，搅拌分散均匀，制得混合物；
步骤4），将步骤3）制得的混合物放入真空烘箱中，抽真空处理，室温恒定；即得复合相变储热材料。
6.根据权利要求5所述的一种热相变储热材料在可移动多功能储热装置中的应用，其特征在于：所述的无机水合盐类相变材料选自Ba(OH)2·8H2O，Na2SO4·10H2O，CaCl2·10H2O，Na2HPO4·10H2O，Na2CO3·10H2O中的一种或二种以上；
所述的多孔细菌纤维素具有多孔结构和纳米纤维网络结构；
所述的表面活性剂选自OP-10，十二烷基苯硫酸钠，十二烷基硫酸钠，CTAB中的一种或二种以上。
7.根据权利要求6所述的一种热相变储热材料在可移动多功能储热装置中的应用，其特征在于：所述的多孔细菌纤维素，由以下步骤制得：1）将细菌纤维素浸泡在去离子水中，至pH=7后，切成块状，并将块状细菌纤维素清洗干净后进行冷冻干燥；2）在 N2保护的条件下，对冷冻干燥后的细菌纤维素进行程序升温加热碳化，得到多孔细菌纤维素；
所述的程序升温加热碳化的条件为：以1.5°C/min的速率升温至 350°C ，恒温1 h；再以3°C/min 的速率升温至800 °C，恒温2 h；
所述多孔细菌纤维素的孔径为100-800 nm，密度为0.3-0.8 g/cm3。
8.根据权利要求1所述的一种热相变储热材料在可移动多功能储热装置中的应用，其特征在于：所述测温装置的形状为立方块。
9.根据权利要求8所述的一种热相变储热材料在可移动多功能储热装置中的应用，其特征在于：所述测温装置包括热电偶和温度显示器，所述热相变储热材料蓄热单元、所述热电偶和所述温度显示器依次连接。
10.根据权利要求1所述的一种热相变储热材料在可移动多功能储热装置中的应用，其特征在于：所述保温层为保温泡沫材料层。
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