CN111748321A - 一种低温相变蓄冷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及储能材料的制备，具体涉及一种低温相变蓄冷材料及其制备方法。所述低温相变蓄冷材料包含以下质量份数的组分：纯净水50‑60份，氢氧化钠40‑50份，石墨0.05‑0.1份，分散剂0.5‑2.5份，成核剂2‑3份，增稠剂3‑6份。该材料的相变温度为6‑8℃，可应用于低温蓄冷领域，解决机组投资过大、占用面积过大的问题，对于优化能源结构和解决民生问题具有重要意义。

Description

一种低温相变蓄冷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及储能材料的制备，具体涉及一种低温相变蓄冷材料及其制备方法。
背景技术
二十世纪以来，社会生产力和人民生活水平都有了突飞猛进的发展，电力工业作为国民经济的基础产业之一，已取得了长足的进展。但是电力的增长仍然满足不了国民经济的快速发展和人民生活用电急剧增长的需求，全国局部缺电的局面依然存在，电力高峰供应不足而低谷过剩的矛盾日益突出。
解决电力不足的问题，一方面是靠增加对电力的投入，加快电力建设的步伐，提高电站装机容量，改善电网；另一方面就是加强计划用电与节约用电，大力开发低谷用电，鼓励移峰填谷。储冷技术在此背景下获得了比较大的发展，夜间低谷电期，采用制冷机组制冷，利用材料的显热或潜热特性将冷量储存在材料中，白天用电高峰时，将冷量释放出来，满足室内或者生产工艺用冷的需求。
随着现代工业的发展和人民生活水平的提高，中央空调的应用越来越广泛，其耗电量也越来越大，一些大中城市中央用电量已占其高峰用电量的20％以上，使得电力系统峰谷负荷差加大，电网负荷率下降，电网不得不实行拉闸限电，严重制约着工农业生产，对人们正常的生活带来不少影响。解决该问题的有效办法之一是应用蓄冷技术，将空调用电从白天高峰期转移到夜间低谷期，均衡城市电网负荷，达到多峰填谷的目的，蓄冷技术的原理，简而言之，是利用夜间电网多余的谷荷电力继续运转制冷机制冷，以冰的形式储存起来，在白天用电高峰时将冰融化提供冷气服务，从而避免中央空调争用高峰电力，最常用的蓄冷方式主要有冰蓄冷和水蓄冷两大类。
水蓄冷就是利用水的显热来储存冷量的一种蓄冷方式，蓄冷温度在4-7℃之间，蓄冷温差6-11℃，单位体积的蓄冷容量大概在5-10kwh/m3。只要空间允许，水蓄冷是一种较为经济的储存冷量的方式，而且蓄冷罐体积越大，单位蓄冷量的投资越低。这种蓄冷方式系统简单，投资少，技术要求低，维修也方便。但水蓄冷的主要缺点就是单位体积蓄冷量小，需要蓄冷槽容积大，占地面积大，这在人口密集，土地利用率高的大城市是一个问题，也是水蓄冷使用受到制约的主要原因。
冰蓄冷是利用冰的相变潜热进行冷量储存的一种蓄冷方式。0℃冰的蓄冷密度高达334kj/kg，储存同样多的冷量，冰蓄冷所需体积仅为水蓄冷的几十分之一。但是冰蓄冷也存在缺点：由于市场上大部分中央空调和热泵机组的出水温度在5℃以上，如果要使用冰蓄冷，需要额外投资更多的低温制冷机组来提供冷源给冰蓄冷，另外冰的温度更低，需要加厚保温层来减少冷损失，所以冰蓄冷的设计和控制系统复杂，设备投资高，这也是冰蓄冷在供冷领域受到制约的主要原因。
因此，有必要开发一种单位体积蓄冷量大、易于实现且节约成本的低温相变蓄冷材料。
发明内容
本发明提供一种低温相变蓄冷材料，能够弥补水蓄冷储罐容积大、冰蓄冷投资高的不足。该材料可应用于低温蓄冷领域，利用热泵机组或常用制冷机组在夜间低谷期间提供6-8℃冷水给相变材料蓄冷，在白天峰电期间提供10-12℃回水给相变材料使其放冷，从而解决电力高峰供应不足而低谷过剩的问题。
一方面，本发明提供一种低温相变蓄冷材料，包含以下质量份数的组分：
纯净水：50-60份，氢氧化钠：40-50份，石墨：0.05-0.1份，分散剂：0.5-2.5份，成核剂：2-3份，增稠剂：3-6份。
在本发明的优选实施例中，所述组分的质量份数为：
纯净水：54份，氢氧化钠：46份，石墨：0.1份，分散剂：1份，成核剂：3份，增稠剂：6份。
在本发明的一些实施例中，所述分散剂选自十二烷基苯磺酸钠、九水硅酸钠和六偏磷酸钠组成的组；所述成核剂选自硼砂、碳酸钙、重铬酸钾和铬酸钠组成的组；所述增稠剂选自凹凸棒土、高岭土、黄原胶和羧甲基纤维素组成的组。
在本发明的优选实施例中，所述分散剂为六偏磷酸钠；所述增稠剂为黄原胶；所述成核剂为碳酸钙。
在本发明的优选实施例中，所述石墨的粒径为5000-10000目。
另一方面，本发明还提供所述低温相变蓄冷材料的制备方法，包括如下步骤：
S1.取纯净水50-60份、氢氧化钠40-50份，混合均匀，使氢氧化钠完全溶解于纯净水中；
S2.加入成核剂2-3份、石墨0.05-0.1份、分散剂0.5-2.5份，混合均匀；
S3.加入增稠剂3-6份，混合均匀，所得混合液体材料即为低温相变蓄冷材料。
在本发明的一些实施例中，所述混合均匀是指置于搅拌机下以100r/s的速度搅拌2-3小时。
在本发明的另一些实施例中，所述步骤S1和S2中，所述混合均匀是指置于超声发生器中50HZ超声混合2-3小时。
按照任一所述的方法制备得到的低温相变蓄冷材料属于本发明的保护范围。
任一所述的低温相变蓄冷材料在制冷领域中的应用也属于本发明的保护范围。
本发明提供的低温相变蓄冷材料，以水为冷源介质和换热介质，水的相变温度较低，为0℃，通过加入一定量的氢氧化钠，使混合物的相变点提高到6-8℃，从而符合目前市场大部分供冷系统的热泵或中央空调机组的供回水温度的区间。在体系中，通过加入合适的成核剂，降低了混合物的过冷度；加入石墨，提高了相变材料的导热性能；加入合适的分散剂，解决了成核剂和石墨在混合中沉淀到底部导致材料分层失效的问题；加入增稠剂，增加了混合物的密度和粘度，使悬浮颗粒的浮力和阻力增大，阻止大颗粒下沉，从而使混合物中的颗粒均匀分布，不会发生相分层。
目前市场上大部分的热泵机组提供的冷水都在5℃以上，而系统用于供冷的供回水温度为6-8℃/10-12℃。本发明的低温相变蓄冷材料非常适用于制冷设备，在夜间低谷电期间，利用常用的热泵机组等提供5℃的供水给相变材料使其发生相变来储存冷量；在白天峰电期间，可以减少设备的使用，利用12℃的回水经过相变材料使其放冷，为用户提供冷水以达到室间制冷的效果。
本发明提供的低温相变蓄冷材料，具有以下有益效果：
(1)材料的相变温度为6-8℃，储热密度更大，储能设备占用空间小，很好地满足了供冷领域的需要。
(2)材料的均匀性好、导热性强，在长期循环使用过程中性能稳定，不会发生相分层，导热性不会衰减。
(3)可直接利用热泵机组或常用制冷机组在夜间谷电期间提供冷源发生相变蓄冷，在白天峰电期间提供回水发生相变放冷，从而平衡电网，达到移峰填谷的效果。
(4)制备方法简单，成本低，适于工业级量产。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地理解本发明，不用于限制本发明的保护范围，本发明不局限于所述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落入本发明的保护范围。
本发明实施例的原料来源：
纯净水：实验室纯水机自制。石墨：目数为10000目，购自上海卜微应用材料技术有限公司。氢氧化钠、十二烷基苯磺酸钠、九水硅酸钠、六偏磷酸钠、凹凸棒土、高岭土、黄原胶、羧甲基纤维素、硼砂、碳酸钙、重铬酸钾、铬酸钠均购自国药集团化学试剂有限公司。
如无特殊说明，本发明中所使用的“份”均指质量份。若未特别指明，本发明实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规技术手段；所用的试剂，如无特殊说明，均为商业途径获得，或者以常规实验方法配制而得，规格为实验室纯级；所用到的实验方法，如无特殊说明，均为本领域技术人员熟知的常规实验方法。
实施例
按照以下步骤制备相变材料：
(1)取纯净水50-60份、氢氧化钠40-50份，置于搅拌机下100r/s搅拌或超声波发生器中50HZ超声混合2-3小时，使氢氧化钠完全溶解于纯净水中；
(2)完全混合均匀后，向其中加入成核剂2-3份，石墨0.05-0.1份，分散剂0.5-2.5份，然后置于搅拌机下100r/s搅拌或超声波发生器中50HZ超声混合2-3小时；
(3)完全混合均匀后，向其中加入增稠剂3-6份，然后继续在搅拌机下100r/s搅拌2-3小时(此步骤可使用超声辅助混合，但不可单独使用超声混合)；搅拌均匀后的混合液体材料，即为可应用于制冷领域的相变材料。
所述分散剂选自十二烷基苯磺酸钠、九水硅酸钠、六偏磷酸钠中的至少一种；所述增稠剂选自凹凸棒土、高岭土、黄原胶、羧甲基纤维素中的至少一种；所述成核剂选自硼砂、碳酸钙、重铬酸钾、铬酸钠中的至少一种。本发明实施例1-12的低温相变蓄冷材料的配方如表1所示，对比例1-3的配方如表2所示，配方中的“份”均指质量份。
表1
Figure BDA0002419096220000041
Figure BDA0002419096220000051
表2
Figure BDA0002419096220000052
分别测定上述相变材料的相变温度、相变焓、过冷度和导热系数。相变温度和相变焓的测定方法参考GB/T13464-2008的测试方法，用差示扫描量热仪(METTLER TOLEDO DSC3+)测试相变材料的相变温度和相变焓；导热系数的测定方法参考ISO22007-2-2008的测试方法，用导热系数仪(Hot Disk TPS1500)测试相变材料的导热系数；用测温仪(常州金艾联电子科技有限公司金科JK804多路温度测试仪)测试相变材料的温度曲线，根据最低点与相变温度的差值计算过冷度。实施例和对比例的测定结果分别如表3和表4所示。
表3
实施例编号 相变温度(℃) 相变焓(kj/kg) 过冷度(℃) 导热系数(w/m·k)
1 6.32 120 2.5 0.3735
2 6.87 106 1.6 0.3189
3 6.35 130 2.2 0.3537
4 6.72 135 1.9 0.4143
5 6.56 130 2.5 0.4717
6 7.21 132 1.8 0.4836
7 7.71 143 1.0 0.5160
8 8.32 145 4.3 0.4845
9 8.56 137 3.8 0.4630
10 8.13 135 3.5 0.4549
11 8.73 120 1.5 0.5325
12 8.8 126 1.8 0.5215
如表3所示，本发明实施例1-12的低温相变蓄冷材料的相变温度为6.32-8.8℃之间，相变焓为106-145kj/kg之间，过冷度为1-4.3℃之间，导热系数为0.31-0.53w/m·k之间，其中最佳配方为实施例7，其相变温度为7.71℃，相变焓为143kj/kg，过冷度为1℃，导热系数为0.516w/m·k。
表4
对比例编号 相变温度(℃) 相变焓(kj/kg) 过冷度(℃) 导热系数(w/m·k)
1 7.70 140 1.5 0.2735
2 8.7 133 7 0.4512
3 3.63 126 2.5 0.4620
如表4所示，对比例1-3的材料在相变温度、过冷度或导热系数方面不及实施例1-12的材料。
本文所使用的术语“相变”是指，在一定的条件下，物质从一种相变化到另一种相的过程。所述“相”是指系统中物理性质和化学性质均匀一致的部分，这里的“均匀”是指以分子或小于分子的粒子状态相混合。术语“相变温度”是指物质在不同相之间转变时的临界温度。术语“相变焓”是指一定量的物质在恒定温度及压力(通常是相平衡温度及相平衡压力)下发生相变时与环境交换的热。术语“过冷度”指物质的理论结晶温度(Tcyrstalize)与实际给定的结晶现场温度(Tcurrent)的差值，即△T＝Tcyrstalize-Tcurrent。术语“导热系数”是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度(K，℃)，在一定时间内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度(W/(m·K)，此处为K，可用℃代替)。

Claims (10)

1.一种低温相变蓄冷材料，其特征在于，包含以下质量份数的组分：
纯净水：50-60份，氢氧化钠：40-50份，石墨：0.05-0.1份，分散剂：0.5-2.5份，成核剂：2-3份，增稠剂：3-6份。
2.根据权利要求1所述的低温相变蓄冷材料，其特征在于，所述组分的质量份数为：
纯净水：54份，氢氧化钠：46份，石墨：0.1份，分散剂：1份，成核剂：3份，增稠剂：6份。
3.根据权利要求1所述的低温相变蓄冷材料，其特征在于，所述分散剂选自十二烷基苯磺酸钠、九水硅酸钠和六偏磷酸钠组成的组；所述成核剂选自硼砂、碳酸钙、重铬酸钾和铬酸钠组成的组；所述增稠剂选自凹凸棒土、高岭土、黄原胶和羧甲基纤维素组成的组。
4.根据权利要求3所述的低温相变蓄冷材料，其特征在于，所述分散剂为六偏磷酸钠；所述增稠剂为黄原胶；所述成核剂为碳酸钙。
5.根据权利要求1-4任一所述的低温相变蓄冷材料，其特征在于，所述石墨的粒径为5000-10000目。
6.权利要求1-5任一所述的低温相变蓄冷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.取纯净水50-60份、氢氧化钠40-50份，混合均匀，使氢氧化钠完全溶解于纯净水中；
S2.加入成核剂2-3份、石墨0.05-0.1份、分散剂0.5-2.5份，混合均匀；
S3.加入增稠剂3-6份，混合均匀，所得混合液体材料即为低温相变蓄冷材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述混合均匀是指置于搅拌机下以100r/s的速度搅拌2-3小时。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S1和S2中，所述混合均匀是指置于超声发生器中50HZ超声混合2-3小时。
9.按照权利要求6-8任一所述的方法制备得到的低温相变蓄冷材料。
10.权利要求1-5和9任一所述的低温相变蓄冷材料在制冷领域中的应用。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20201009

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