CN112111251A - 一种石墨泡沫增强导热的高温无机盐相变储热元件的组装方法和由此形成的储热元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨泡沫增强导热的高温无机盐相变储热元件的组装方法，其包括将共晶盐相变材料和石墨泡沫导热骨架材料无接触地封装于高压反应釜中，加热待共晶盐相变材料熔融后使石墨泡沫导热骨架材料与共晶盐相变材料接触；通入惰性气体加压至0.1‑1.5MPa使得熔融的共晶盐相变材料浸渗到石墨泡沫导热骨架材料的孔腔内；或抽真空至‑60～‑100KPa，以负压形式使得熔融的共晶盐相变材料填充至石墨泡沫导热骨架材料的孔腔内以得到石墨泡沫增强导热的高温无机盐相变储热元件。本发明还涉及一种上述的组装方法形成的储热元件。本发明提供的高温相变储热元件能够更好地兼容并具有良好的热循环性能。

Description

一种石墨泡沫增强导热的高温无机盐相变储热元件的组装方 法和由此形成的储热元件

技术领域

本发明涉及相变储热材料，更具体地涉及一种石墨泡沫增强导热的高温无机盐相变储热元件的组装方法和由此形成的储热元件。

背景技术

相变储热材料通过相变吸收或释放大量热量，来实现能量的存储和利用，可以有效解决热能供求不匹配的矛盾。因此，相变储热技术被广泛应用于具有间断性或不稳定性的热管理领域。中低温(室温-200℃)相变储热技术发展相对成熟，而适用于核能和太阳能热存储的高温无机盐类(氯盐、碳酸盐和硝酸盐等，相变点200-1000℃)相变储热技术相对滞后。这是由于无机盐类相变储热材料虽然具有较高的储热密度，但一般导热系数较低，影响系统换热效率。此外，高温无机盐类相变储热材料在热存储和释放过程中，经历固-液或固-固相变过程，易发生膨胀泄漏和腐蚀容器管路的问题。因此，一直以来，高温无机盐类相变储热材料的强化传热、组装和器件化是限制其广泛应用的重要问题。

目前，金属材料是已知的中低温相变材料的封装载体，其具有热导率高和易加工的优点，具体地，中低温相变材料与不锈钢等金属材料利用传统的填充床储热系统来形成元器件。但是，对于高温相变材料，金属等导热剂和骨架材料无法满足温度、热膨胀和兼容性的要求，存在密度大、易腐蚀和高温热稳定性差等缺点。

发明内容

为了解决现有技术中的高温无机盐类相变储热材料热导率低和易腐蚀等问题，本发明提供一种石墨泡沫增强导热的高温无机盐相变储热元件的组装方法和由此形成的储热元件。

根据本发明的石墨泡沫增强导热的高温无机盐相变储热元件的组装方法，其包括以下步骤：S1，提供共晶盐相变材料；S2，提供石墨泡沫导热骨架材料；S3，将共晶盐相变材料和石墨泡沫导热骨架材料无接触地封装于高压反应釜中，在惰性气体形成的常压环境下加热高压反应釜，待共晶盐相变材料熔融后，使石墨泡沫导热骨架材料与共晶盐相变材料接触；通入惰性气体加压至0.1-1.5MPa使得熔融的共晶盐相变材料浸渗到石墨泡沫导热骨架材料的孔腔内以得到石墨泡沫增强导热的高温无机盐相变储热元件；或抽真空至-60～-100KPa，以负压形式使得熔融的共晶盐相变材料填充至石墨泡沫导热骨架材料的孔腔内以得到石墨泡沫增强导热的高温无机盐相变储热元件。

优选地，该共晶盐相变材料为熔点为200-1000℃的中高温相变储热材料。优选地，该共晶盐相变材料为氯盐相变储热材料。应该理解，该共晶盐相变材料也可以是其他高温无机盐类相变储热材料。

优选地，步骤S1包括通过高温混合共熔无机盐制备得到共晶盐相变材料。在优选的实施例中，该共晶盐相变材料为NaCl、KCl、MgCl₂以共晶比50wt％，30wt％和20wt％进行共晶混合，相变温度为465.5℃。

优选地，步骤S2包括将中间相沥青发泡后，经高温石墨化处理，制得石墨泡沫导热骨架材料。应该理解，该石墨泡沫导热骨架材料可以通过本领域的常规方法来制备。步骤S2提供的石墨泡沫导热骨架材料的孔径可通过制备过程中的压强等参数进行调节，形成连通的导热网络。特别地，可通过选取不同孔径的石墨泡沫，以满足共晶盐相变材料的装载量的要求。应该理解，步骤S2中的高温石墨化处理用于去除杂质。

优选地，步骤S3包括将共晶盐相变材料放入石墨坩埚内，将石墨泡沫导热骨架材料固定在夹具上，将石墨坩埚和夹具封装于高压反应釜中。优选地，惰性气体为氩气。应该理解，高压反应釜中的夹具是可升降的装置，加热前，夹具处于高位，夹具上的石墨泡沫导热骨架材料与坩埚中的共晶盐相变材料没有接触。

优选地，待共晶盐相变材料完全熔融后，夹具下降以将石墨泡沫导热骨架材料浸入熔融的共晶盐相变材料的液面下。

优选地，步骤S3还包括夹具上升以将负载有共晶盐相变材料的石墨泡沫导热骨架材料提拉出熔融的共晶盐相变材料的液面上后，继续增加浸渗压强或继续提高系统真空度，以保持石墨泡沫导热骨架材料的孔腔内的液态的共晶盐相变材料的填充量。应该理解，石墨泡沫导热骨架材料内的共晶盐相变材料的添加质量百分数，可以通过调节加压压强和真空度来控制。需要说明的是加压压强不能过大，以免破坏石墨泡沫骨架。

优选地，步骤S3还包括冷却至室温，从高压反应釜中取出高温无机盐相变储热元件，去除表面附着的共晶盐相变材料。

优选地，步骤S3中的高压反应釜被加热温度比共晶盐相变材料的熔点高40-60℃。在优选的实施例中，高压反应釜被加热温度比共晶盐相变材料的熔点高50℃。应该理解，温度过高容易造成共晶盐相变材料的蒸发。

本发明还提供根据上述的组装方法形成的储热元件，其包括共晶盐相变材料和石墨泡沫导热骨架材料。

根据本发明的石墨泡沫增强导热的高温无机盐相变储热元件的组装方法和由此形成的储热元件，其采用石墨泡沫(熔点3000℃，热导率50-1000W/mK)作为导热骨架，比金属(熔点2000℃左右，热导率100-200W/mK)更耐高温和耐腐蚀，从而使得储热元件的石墨泡沫封装材料和共晶盐相变材料能够更好地兼容并具有良好的热循环性能，而且，石墨泡沫具有较高的热导率，从而使得本发明提供的高温相变储热元件具有高的换热效率。另外，本发明提供的高温相变储热元件的核心由多孔石墨骨架形成，装载的相变材料可根据骨架材料的孔隙度来调节，从而使得本发明提供的高温相变储热元件具有可控的储热密度，从而最终提供一种有效的封装高温相变材料的元器件。特别地，通过控制加压压力和真空度，本发明提供的高温相变储热元件的相变材料装载量和密度可以进行调控。

附图说明

图1是根据本发明的实施例1的石墨泡沫的X射线成像图；

图2是根据本发明的实施例1的石墨泡沫增强导热的高温无机盐相变储热元件的X射线成像图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

实施例1

NaCl、KCl、MgCl₂以共晶比50wt％，30wt％和20wt％进行球磨混合，干燥，在2个大气压和氩气保护的反应釜中加热到560℃，恒温4个小时直到盐完全融化，形成均匀的共晶盐。该共晶盐相变材料的相变温度为465.5℃；

将由中间相沥青发泡制得的泡沫炭，经高温石墨化处理，以去除杂质得到石墨泡沫。石墨泡沫的X射线成像图如图1所示。本实施例选取孔径为500μm的石墨泡沫，作为储热盐的载体和导热骨架；

将固态共晶盐相变材料放入石墨坩埚内、石墨泡沫固定在可升降的夹具上，封装于高压反应釜中，保护气氛为氩气，常压。加热前，夹具上的石墨泡沫与坩埚中的共晶储热盐没有接触；

加热高压釜至共晶盐熔点50℃以上，待共晶盐完全熔融后，将夹具下降至熔盐坩埚内，然后通惰性气体加压至0.5MPa，将熔盐浸渗到石墨泡沫孔腔内；

将样品提拉出熔盐液面上，同时继续增加浸渗压强，以保持石墨泡沫孔隙内液态熔盐的填充量；

最后将装置冷却至室温，取出样品，去除表面附着的储热盐，得到石墨泡沫强化传热的共晶氯盐相变储热复合材料，其X射线成像图如图2所示。

实施例2

NaCl、KCl、MgCl₂以共晶比50wt％，30wt％和20wt％进行球磨混合，烘干，在2个大气压和氩气保护的反应釜中加热到560℃，恒温4个小时直到盐完全融化，形成均匀的共晶盐。该共晶盐相变材料的相变温度为465.5℃；

将由中间相沥青发泡制得的泡沫炭，经高温石墨化处理，以去除杂质得到石墨泡沫。本实施例选取孔径为500μm的石墨泡沫，作为储热盐的载体和导热骨架；

将固态共晶盐相变材料放入石墨坩埚内、石墨泡沫固定在可升降的夹具上，封装于高压反应釜中，保护气氛为氩气，常压。加热前，夹具上的石墨泡沫与坩埚中的共晶储热盐没有接触；

加热高压釜至共晶盐熔点50℃以上，待共晶盐完全熔融后，将夹具下降至熔盐坩埚内，然后对系统抽真空至-80KPa，以负压形式将熔盐填充到石墨泡沫孔腔内；

将样品提拉出熔盐液面上，同时继续增加真空至-95KPa，以保持石墨泡沫孔隙内液态熔盐的填充量；

最后将装置冷却至室温，取出样品，去除表面附着的储热盐，得到石墨泡沫强化传热的共晶氯盐相变储热复合材料。

对比例1

共晶盐相变材料和石墨泡沫制备同实施例1。

将固态共晶盐相变材料放入石墨坩埚内、石墨泡沫固定在可升降的夹具上，封装于高压反应釜中，保护气氛为氩气，常压。加热前，夹具上的石墨泡沫与坩埚中的共晶储热盐没有接触；

加热高压釜至共晶盐熔点50℃以上，待共晶盐完全熔融后，将夹具下降至熔盐坩埚内，然后通惰性气体加压至2MPa，将熔盐浸渗到石墨泡沫孔腔内；

将样品提拉出熔盐液面上，同时继续增加浸渗压强，以保持石墨泡沫孔隙内液态熔盐的填充量；

最后将装置冷却至室温，取出样品，去除表面附着的储热盐，得到石墨泡沫强化传热的共晶氯盐相变储热复合材料。

将复合材料浸泡到去离子水中，盐溶解后，石墨泡沫破碎解体。说明加压浸渗过程中系统压强太大，导致石墨泡沫骨架破损。

对比例2

共晶盐相变材料和石墨泡沫制备同实施例2。

将固态共晶盐相变材料放入石墨坩埚内、石墨泡沫固定在可升降的夹具上，封装于高压反应釜中，保护气氛为氩气，常压。加热前，夹具上的石墨泡沫与坩埚中的共晶储热盐没有接触；

加热高压釜至共晶盐熔点50℃以上，待共晶盐完全熔融后，将夹具下降至熔盐坩埚内，然后对系统抽真空至-30KPa，以负压形式将熔盐填充到石墨泡沫孔腔内；

将样品提拉出熔盐液面上，同时继续增加真空至-50KPa，以保持石墨泡沫孔隙内液态熔盐的填充量；

最后将装置冷却至室温，取出样品，去除表面附着的储热盐，得到石墨泡沫强化传热的共晶氯盐相变储热复合材料。

将复合材料进行称重，结果显示，骨架材料增重不明显，说明由于石墨与氯盐的浸润性较差，系统需要达到一定真空度，才能将熔盐以负压形式填充到石墨泡沫内。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (9)

1.一种石墨泡沫增强导热的高温无机盐相变储热元件的组装方法，其特征在于，该组装方法包括以下步骤：

S1，提供共晶盐相变材料；

S2，提供石墨泡沫导热骨架材料；

S3，将共晶盐相变材料和石墨泡沫导热骨架材料无接触地封装于高压反应釜中，在惰性气体形成的常压环境下加热高压反应釜，待共晶盐相变材料熔融后，使石墨泡沫导热骨架材料与共晶盐相变材料接触；通入惰性气体加压至0.1-1.5MPa使得熔融的共晶盐相变材料浸渗到石墨泡沫导热骨架材料的孔腔内以得到石墨泡沫增强导热的高温无机盐相变储热元件；或抽真空至-60～-100KPa，以负压形式使得熔融的共晶盐相变材料填充至石墨泡沫导热骨架材料的孔腔内以得到石墨泡沫增强导热的高温无机盐相变储热元件。

2.根据权利要求1所述的组装方法，其特征在于，该共晶盐相变材料为熔点为200-1000℃的中高温相变储热材料。

3.根据权利要求1所述的组装方法，其特征在于，步骤S1包括通过高温混合共熔无机盐制备得到共晶盐相变材料。

4.根据权利要求1所述的组装方法，其特征在于，步骤S2包括将中间相沥青发泡后，经高温石墨化处理，制得石墨泡沫导热骨架材料。

5.根据权利要求1所述的组装方法，其特征在于，步骤S3包括将共晶盐相变材料放入石墨坩埚内，将石墨泡沫导热骨架材料固定在夹具上，将石墨坩埚和夹具封装于高压反应釜中。

6.根据权利要求1所述的组装方法，其特征在于，步骤S3还包括夹具上升以将负载有共晶盐相变材料的石墨泡沫导热骨架材料提拉出熔融的共晶盐相变材料的液面上后，继续增加浸渗压强或继续提高系统真空度，以保持石墨泡沫导热骨架材料的孔腔内的液态的共晶盐相变材料的填充量。

7.根据权利要求1所述的组装方法，其特征在于，步骤S3还包括冷却至室温，从高压反应釜中取出高温无机盐相变储热元件，去除表面附着的共晶盐相变材料。

8.根据权利要求1所述的组装方法，其特征在于，步骤S3中的高压反应釜被加热温度比共晶盐相变材料的熔点高40-60℃。

9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的组装方法形成的储热元件，其特征在于，该储热元件包括共晶盐相变材料和石墨泡沫多孔骨架材料。

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