CN111635740A - 一种相变储热材料及储热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种相变储热材料及储热装置，涉及新能源与节能材料技术领域，更具体的属于一种储热材料及应用装置，相变储热材料包括以下质量份数的原料：70‑90份三水醋酸钠、5‑10份十水焦磷酸钠、5‑10份十二水磷酸氢钠、1‑5份十水硼酸钠、1‑5份南梅子粉、1‑5份明胶以及1‑5份石墨。本发明通过优化复合相变储热材料成分配比，引入固水剂解决了结晶水丢失的问题，避免了相变储热材料的老化，同时提高了导热能力。储热装置包括功能筒组件以及保温筒组件，该结构能够进一步避免出现相变储热材料的老化、腐蚀等缺陷，同时提高了换热效率，还可以根据不同的功率和用途进行各层换热管的组合连接定制。

Description

一种相变储热材料及储热装置

技术领域

本发明涉及新能源与节能材料技术领域，更具体的属于一种储热材料及应用装置。

背景技术

北方清洁供暖普遍采用电代煤和气代煤的方案，但投资大，费用高，本地太阳能资源浪费，集热管作为采暖设备已有成功的经验，但冬季由于太阳能照度低，特别是阴天时太阳能无法提供热能，另外环境温度低，系统散热大，可供使用的热量少。需要研究一种材料和装置，将夏天的热储存到冬天使用，可以解决夏天炎热和冬季供暖的难题。相变储热材料由于可以储存大量的热能，成为一种较好的供暖储能方案。

在一定条件下（温度、压强等），物质将以一种与外界条件相适应的聚集状态或结构形式存在着，这种形式就是相。在某种意义上，它和该物相的化学组成定义了其全部的物理和化学性质。

相变储热材料(phase change materials)是一种具有特定功能的物质，它能在特定温度(相变温度)下发生物相变化，材料的分子排列在有序与无序之间迅速转变，伴随吸收或释放热能的现象来贮存或放出热能，进而调整、控制工作源或材料周围环境温度，以实现其特定的应用功能。随着世界能源的日趋紧张，相变储热材料因其自身具有的特殊功能在太阳能利用、工业废热利用、节能、工程保温材料、医疗保健等领域都得到了广泛应用。随着全球工业的迅猛发展以及化石燃料的不断减少，能源短缺和环境污染问题已成为世界各国面临的共同挑战，因此，如何提高能源利用效率成为当前人类面临的重要课题。

储能材料是提高能源利用率的重要手段之一，相变储热材料是储能材料的一个主流研究方向，其广泛应用于航天器热控、建筑节能、太阳能热利用、芯片散热等领域。水合盐相变储热材料由于其使用温度范围广、储热过程易于控制、价格低廉等优点，是目前应用最广泛的相变储热材料。

相变储能装置是将相变储热材料放入容器内，通过传热给一定的介质提供热能。用于供暖使用的相变储能装置采用的相变储热材料主要有有机物和水合盐两类，相变潜能多为150-200焦耳/克，起到了一种的储热作用，但由于相变潜能小，体积较大，另一方面相变储热材料老化速度快，使用寿命短。近来醋酸钠的水合物研究取得了进展，相变潜能可以提高到220-250焦耳/克，但相变储热材料分层，过冷度大以及结晶水丢失等仍然影响着相变储热材料的寿命，另外相变储热材料的热传导也是影响使用的因素之一。

当前用于供暖储热的相变储热材料及储能装置技术的主要缺点有：

1.多次使用后，相变储热材料分层，不同的材料因为比重等原因出现分层现象，影响相变储热材料寿命。

2.结晶水丢失严重，多次使用后，结晶水的散失，降低了相变储热材料储热能力。

3.过冷度大，甚至无相变。

4.导热系数低，使用功率小。

与本发明最接近的相变储热材料为专利号ZL200610039026.2，太阳能热水器相变储热材料及其制备方法，它一定程度解决了相分层和过冷的问题，但没有解决结晶水丢失和快速导热的问题。

发明内容

本发明提供了一种相变储热材料，用于解决相变储热材料多次使用后结晶水丢失的问题。

本发明采用如下技术方案：

一种相变储热材料，包括以下质量份数的原料：70-90份三水醋酸钠、5-10份十水焦磷酸钠、5-10份十二水磷酸氢钠、1-5份十水硼酸钠、1-5份南梅子粉以及1-5份明胶。

进一步地，还包括：1-5份质量份数的石墨。

一种相变储热材料储热装置，其特征在于，包括：功能筒组件，所述功能筒组件包括：内筒以及换热管；所述内筒为腔体，所述的相变储热材料设置在所述内筒内部；所述换热管设有第一口以及第二口，所述换热管贯穿所述内筒壁，所述换热管第一口以及第二口设置在所述内筒外部。

进一步地，所述换热管上设有鳍片，所述换热管至少为两个。

进一步地，所述功能筒组件还包括：第一塑料薄膜以及石蜡，所述第一塑料薄膜通过所述石蜡粘接在内筒的内表面。

进一步地，所述功能筒组件还包括：支块以及支管，所述支块设置在所述内筒内表面底部，所述支块上表面与所述换热管固定连接，两个相邻的所述换热管上下设置，所述支管上下两端分别与两个相邻的所述换热管固定连接。

进一步地，还包括：第二塑料薄膜，所述第二塑料薄膜设置在两个相邻的所述换热管之间。

进一步地，还包括保温筒组件，所述保温筒组件包括：框架、内保温层以及发泡剂，所述内保温层一面为铝箔，所述内保温层与所述框架内表面固定连接，所述铝箔构成所述保温桶组件的内表面，所述功能筒组件设置在所述保温筒组件内部，所述内筒与所述保温筒组件之间填充所述发泡剂。

进一步地，所述保温筒组件还包括：外保温层，所述外保温层为硅酸铝保温层，所述外保温层固定设置在所述框架的外表面，所述外保温层的外表面设有防风面，所述防风面由油布、铝皮或镀锌铁皮中的一种或多种材料制成。

进一步地，所述换热管材质为PVC，所述内筒材质为不锈钢。

本发明的积极效果如下：

本发明提供了一种相变储热材料，避免了相变储热材料的老化，同时提高了导热能力。该相变储热材料采用南眉子粉以及明胶作为固水剂。固水剂中的南眉子粉与水合物搅拌可以让水合物粘结在南眉子粉周围。固水剂中的明胶含有大量的动物胶原蛋白，对相变储热材料具有一定的包裹作用，同时还有一定的吸水作用，防止水分丢失，同时它可以和石墨粉良好的混合，可以起到石墨均匀化的作用。石墨具有良好的导热性能，其石墨片层可以连结水合物分子，有利于热量的传导。两者最后的混合搅拌，这样的可以形成南眉子粉水合物为核心的相变功能团，以有效地避免分层和水丢失。

本发明提供的相变储热装置，储热装置功能筒结构简单，材料易于获取，容易加工，换热管选用PVC管可以避免腐蚀。采用至少两个换热管的相变储热装置，可以根据需求并联或串联连接，方便根据需求调整输出功率；换热管设有鳍片，可以增加换热效率，同等功率情况下，相较无鳍片的换热管可以采用更少的换热管；功能筒组件通过石蜡将第一塑料薄膜粘接在内筒内表面，用以弥补内筒可能的渗漏，避免不锈钢体与水合物直接接触，防止腐蚀。相变储热材料层间的第二塑料薄膜的作用是减少可能的水汽在筒内不均匀扩散，甚至从内筒逸出。支块和支管的作用是固定换热管，防止换热管变形，尤其是在受热后强度变低导致的损坏。

设有保温筒组件的相变储热装置，能够防止不必要的热量散发，保温组件采用内铺有内保温层的木质框架，结构简单，易于加工，材料易于获取，功能组件通过发泡剂粘接在保温组件的内部，发泡剂成本低，保温效果好，还能起到固定功能组件的效果。

保温筒组件的外保温层采用硅酸铝复合保温材料，无毒无害、具有优良的吸音、耐高温、耐水、耐冻性能、收缩率低。抗震性能好、抗负风压能力强、容重轻、保温性能好，温度在-40-800℃范围内急冷急热，保温层不开裂，不脱落，不燃烧，耐酸、碱、油。外保温层外表面还设有防风层，防风层具有较好的防泼溅效果，还能防止雨水、湿汽进入保温层影响保温效果。

本发明通过优化复合相变储热材料成分配比，避免了相变储热材料多次使用后结晶水丢失以及相变储热材料的老化的问题，同时提高了导热能力。通过储热装置功能筒的结构设置，进一步避免出现相变储热材料多次使用后结晶水丢失、老化以及腐蚀等缺陷，同时提高了换热效率，还可以根据不同的功率和用途进行各层换热管的组合连接定制。本发明有效避免了相变储热材料的老化问题，使用方便，使用寿命长。

附图说明

图1为本发明实施方式相变储热装置俯视示意图；

图2为本发明实施方式第二塑料薄膜设置方式示意图；

图3为本发明实施方式功能筒内部结构示意图；

图4为本发明实施方式图3A处局部放大图。

图中：内筒1；

相变储热材料2；

换热管3；

鳍片4；

第一塑料薄膜5；

石蜡6；

支块7；

支管8；

第二塑料薄膜9；

框架10；

内保温层11；

发泡剂12；

外保温层13；

防风面14。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种相变储热材料，包括以下质量份数的原料：70-90份三水醋酸钠、5-10份十水焦磷酸钠、5-10份十二水磷酸氢钠、1-5份十水硼酸钠、1-5份南梅子粉以及1-5份明胶。还包括：1-5份质量份数的石墨。

更为具体地，一种相变储热材料的实施方式为：分别称取45千克的三水醋酸钠，3千克十水焦磷酸钠，2.5千克十二水磷酸氢钠，0.5千克十水硼酸钠，1千克南梅子粉，2千克明胶，1千克石墨。将称取好的三水醋酸钠、十水焦磷酸钠、十二水磷酸氢钠、十水硼酸钠、南眉子粉混合加热熔化，搅拌均匀。再将明胶和石墨混合加热熔化搅拌均匀，放入搅拌好的溶液中，继续搅拌，待石墨完全均匀后即为溶液状态的相变储热材料，该储热材料的相变温度约为58.2℃，相变潜热约为253.2J/g，南眉子粉与无机水合物结合，可充分吸收存贮无机水合物析出的水份，减少水份散失，在降温相变时快速提供水份形成无机水合物，和明胶相比，南眉子粉吸水、贮水能力更优，明胶粘结力更强，两者相互配合效果理想。

另一种相变储热材料的实施方式为：分别称取35千克的三水醋酸钠，5千克的十水焦磷酸钠，2.5千克十二水磷酸氢钠，2.5千克十水硼酸钠，2.5千克南梅子粉，2.5千克明胶，1.5千克石墨。将称取好的三水醋酸钠、十水焦磷酸钠、十二水磷酸氢钠、十水硼酸钠、南眉子粉混合加热熔化，搅拌均匀。再将明胶和石墨混合加热熔化搅拌均匀，放入搅拌好的溶液中，继续搅拌，待石墨完全均匀后即为溶液状态的相变储热材料。该储热材料的相变温度约为57℃，相变潜热约为249.5J/g。南眉子粉与无机水合物结合，可充分吸收存贮无机水合物析出的水份，减少水份散失，在降温相变时快速提供水份形成无机水合物，和明胶相比，南眉子粉吸水、贮水能力更优，明胶粘结力更强，两者相互配合效果理想。

上述两种实施方式中，三水醋酸钠为主要相变储热材料，主要通过结晶水的脱离、醋酸水解等化学过程放出热量。

十水焦磷酸钠、十二水磷酸氢钠、十水硼酸钠为形核剂，促使醋酸钠结晶，减少过冷度，同时多种水合物组合可以调整复合物的熔点。

南眉子粉是纤维素和淀粉的混合体，具有良好的吸水性，对于相变储热材料有固水作用，同时它还是良好的黏稠剂，避免分层。

明胶含有大量的动物胶原蛋白，对相变储热材料具有一定的包裹作用，同时还有一定的吸水作用，防止水分丢失，同时它可以和石墨粉良好的混合，可以起到石墨均匀化的作用。

石墨具有良好的导热性能，其石墨片层可以连结水合物分子，有利于热量的传导。

南眉子粉与水合物一搅拌可以让水合物粘结在南眉子粉周围，有避免分层的作用。南眉子粉也可以用其它的吸水性强的纤维淀粉等代替。

石墨和明胶混合可以让石墨更好地分散开，以提高散热效果。两者最后的混合搅拌，这样的顺序可以形成南眉子粉水合物为核心的相变功能团，以有效地避免分层和水丢失。

如图1-4所示，一种相变储热材料储热装置，包括：功能筒组件，功能筒组件包括：内筒1、相变储热材料2以及换热管3；内筒1为腔体，相变储热材料2设置在内筒1内部；换热管3设有第一口以及第二口，换热管3贯穿内筒1壁，换热管3第一口以及第二口设置在内筒1外部。

更为具体地，内筒1材料为不锈钢，加工成立方体形，换热管3为PVC管弯制成蛇形弯，换热管3的两个口均设置在内筒1的外表面，其余部分均设置在内筒1内部。倒入准备好的液态相变储热材料2。该装置通过调整设置在内筒1内部的换热管3长度、换热管3截面面积以及加入内筒1内部的相变储热材料2数量，并通过调整在换热管3内流体的流速，达到调整换热功率的目的。如，在需要小功率输出热量的使用情景时，换热管3路长度短，相变储热材料2数量相对较少，换热管3内流体的流速较低；需要大功率输出热量的使用情景时，需要加长换热管3路的长度，添加更多的相变储热材料2，增加换热管3截面面积，增大流体的流速。

该储热装置结构简单，材料易于获取，结构简单，容易加工，换热管3选用PVC管可以避免腐蚀。可以根据需求，调整换热管3的长度、截面面积以及内筒1的容积，从而达到调整输出功率以及储热总量的目的。

进一步地，换热管3上设有鳍片4，换热管3至少为两个，鳍片4方向为上下两个方向。

功能筒组件还包括：第一塑料薄膜5以及石蜡6，第一塑料薄膜5通过石蜡6固定连接在内筒1的内表面。

功能筒组件还包括：支块7以及支管8，支块7以及支管8均用于支撑所述换热管3。

功能筒组件还包括：第二塑料薄膜9，第二塑料薄膜9设置在相邻的换热管3之间，用于减少水汽在所述内筒1内扩散。

更为具体地，该装置在成型时首先将内筒1加热至60℃以上，内壁均匀涂刷石蜡6，粘上第一塑料薄膜5，放入支块7粘结牢固，支块7下表面与内筒1底部的第一塑料薄膜5固定连接，放上第一层换热管3，第一层换热管3设置在支块7的上表面，倒入准备好的液态相变储热材料2，液态相变储热材料2与换热管3上表面齐平，铺上一层第二塑料薄膜9，放置支管8并固定。再放入第二层换热管3，倒入液态相变储热材料2，与换热管3上表面齐平，再铺上一层塑料薄膜，放置支管8，如此循环，直到最后一层换热管3放置完毕，倒入液态相变储热材料2与内筒1上口齐平，铺上塑料薄膜，内筒1设有内筒盖，最后再盖上内筒盖。

换热管3为带鳍片4的PVC管弯制而成，鳍片4方向为上下两个方向。

支管8是PVC管加工而成，其形状与换热管3和鳍片4相吻合。

上述的支块7为木块。

使用时，根据功率输出要求，将多层换热管3进行接口组合形成统一的输入口和输出口。全部串联流程阻力大，流量小，热输出功率小。全部并联，则流程阻力小，总流量大，热输出功率大。还可以根据需要采用并联+串联的连接方式，如设有四个换热管3的相变储热装置，可以两个一组并联，然后两组串联。丰富多样的连接形式，可以构成不同的输出功率，满足不同应用场景下的需求。

采用至少两个换热管3的相变储热装置，可以根据需求并联或串联连接，方便根据需求调整输出功率；换热管3设有鳍片4，可以增加换热效率，同等功率情况下，相较无鳍片4的换热管3可以采用更少的换热管3；功能筒组件通过石蜡6将第一塑料薄膜5粘接在内筒1内表面，用以弥补内筒1可能的渗漏，避免不锈钢体与水合物直接接触，防止腐蚀。相变储热材料2层间的第二塑料薄膜9的作用是减少可能的水汽在筒内不均匀扩散，甚至导致水汽从内筒1流出。支块7和支管8的作用是固定换热管3，防止换热管3变形，尤其是在受热后强度变低导致的损坏。

进一步地，相变储热装置还包括保温筒组件，保温筒组件包括：框架10、内保温层11以及发泡剂12，内保温层11一面为铝箔，内保温层11与框架10内表面固定连接，内保温层11的铝箔表面为保温筒组件的内表面，功能筒组件设置在保温筒组件内部，内筒1与保温膜之间填充发泡剂12；换热管3第一口以及第二口设置在保温筒组件外部。

进一步地，保温筒组件还包括：外保温层13，外保温层13为硅酸铝保温层，外保温层13固定设置在框架10的外表面，外保温层13的外表面设有防风面14，防风面14为以下材料至少之一：油布、铝皮以及镀锌铁皮。

更为具体地，保温筒组件是由木质立方体框架10加保温材料组成，框架10内壁粘有一层带铝箔的保温材料，铝薄向内。内筒1和铝箔之间充填发泡剂12，从而固定内筒1。功能筒装配好后，放入保温筒内，固定。上述框架10外表面还粘结有外保温层13，外保温层13为硅酸铝保温材料，硅酸铝保温材料外有防风层，防风层包括油布，铝皮、镀锌铁皮。

设有保温筒组件的相变储热装置，能够防止不必要的热量散发，保温组件采用内铺有内保温层11的木质框架10，结构简单，易于加工，材料易于获取，功能组件通过发泡剂12粘接在保温组件的内部，发泡剂12成本低，保温效果好，还能起到固定功能组件的效果。

保温筒组件的外保温层13采用硅酸铝复合保温材料，无毒无害、具有优良的吸音、耐高温、耐水、耐冻性能、收缩率低。抗震性能好、抗负风压能力强、容重轻、保温性能好，温度在-40-800℃范围内急冷急热，保温层不开裂，不脱落，不燃烧，耐酸、碱、油。外保温层13外表面还设有防风层，防风层具有较好的防泼溅效果，还能防止雨水、湿气进入保温层，降低保温效果。

本发明通过优化复合相变储热材料成分配比，避免了相变储热材料的老化，同时提高了导热能力。通过储热装置功能筒的结构设置，进一步避免出现相变储热材料的老化、腐蚀等缺陷，同时提高了换热效率，还可以根据不同的功率和用途进行各层换热管3的组合连接定制。本发明有效避免了相变储热材料的老化问题，使用方便，使用寿命长。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所做出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相变储热材料，其特征在于，包括以下质量份数的原料：70-90份三水醋酸钠、5-10份十水焦磷酸钠、5-10份十二水磷酸氢钠、1-5份十水硼酸钠、1-5份南梅子粉以及1-5份明胶。

2.根据权利要求1所述的一种相变储热材料，其特征在于，还包括：1-5份质量份数的石墨。

3.一种相变储热材料储热装置，其特征在于，包括：功能筒组件，所述功能筒组件包括：内筒（1）以及换热管（3）；所述内筒（1）为腔体，权利要求1或2中所述的相变储热材料（2）设置在所述内筒（1）内部；所述换热管（3）设有第一口以及第二口，所述换热管（3）贯穿所述内筒（1）壁，所述换热管（3）第一口以及第二口设置在所述内筒（1）外部。

4.根据权利要求3所述的一种相变储热材料储热装置，其特征在于，所述换热管（3）上设有鳍片（4），所述换热管（3）至少为两个。

5.根据权利要求4所述的一种相变储热材料储热装置，其特征在于，所述功能筒组件还包括：第一塑料薄膜（5）以及石蜡（6），所述第一塑料薄膜（5）通过所述石蜡（6）粘接在内筒（1）的内表面。

6.根据权利要求5所述的一种相变储热材料储热装置，其特征在于，所述功能筒组件还包括：支块（7）以及支管（8），所述支块（7）设置在所述内筒（1）内表面底部，所述支块（7）上表面与所述换热管（3）固定连接，两个相邻的所述换热管（3）上下设置，所述支管（8）上下两端分别与两个相邻的所述换热管（3）固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种相变储热材料储热装置，其特征在于，所述功能筒组件还包括：第二塑料薄膜（9），所述第二塑料薄膜（9）设置在两个相邻的所述换热管（3）之间。

8.根据权利要求7所述的一种相变储热材料储热装置，其特征在于，还包括保温筒组件，所述保温筒组件包括：框架（10）、内保温层（11）以及发泡剂（12），所述内保温层（11）一面为铝箔，所述内保温层（11）与所述框架（10）内表面固定连接，所述铝箔构成所述保温桶组件的内表面，所述功能筒组件设置在所述保温筒组件内部，所述内筒（1）与所述保温筒组件之间填充所述发泡剂（12）。

9.根据权利要求8所述的一种相变储热材料储热装置，其特征在于，所述保温筒组件还包括：外保温层（13），所述外保温层（13）为硅酸铝保温层，所述外保温层（13）固定设置在所述框架（10）的外表面，所述外保温层（13）的外表面设有防风面（14），所述防风面（14）由油布、铝皮或镀锌铁皮中的一种或多种材料制成。

10.根据权利要求9所述的一种相变储热材料储热装置，其特征在于，所述换热管（3）材质为PVC，所述内筒（1）材质为不锈钢。

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