CN112815756B - 一种蓄热相变换热器及促进糖醇相变材料结晶和减小过冷度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及蓄热相变换热器及促进糖醇相变材料结晶和减小过冷度的方法。换热器的外壳由外到内由金属壳体、保温层和绝缘塑料腔体组成；绝缘塑料腔体内换热器本体内填充有混合硬脂酸盐的糖醇相变蓄热材料，所述绝缘塑料腔体内换热器本体内还设有作为工质流道且与外壳绝缘的环形盘管，换热器本体的两端在位于液相糖醇相变蓄热材料的内部区域各设置有一个电极，上下两个电极分别连接外部耐冲交变电源。本发明通电放热时，可促进多种糖醇类相变材料的扰动，进一步对糖醇类相变材料的结晶过程有促进作用，而且可以明显减小结晶过程的过冷度。
Description
技术领域
本发明涉及糖醇相变储热领域，具体公开了一种蓄热相变换热器及促进糖醇相变材料结晶和减小过冷度的方法。
背景技术
回收利用余热资源可提高能源利用效率，同时减轻对环境的影响。对于温度在200-400℃的中温余热资源通常采用低品位热能汽轮机和有机朗肯循环发电技术进行回收利用，相比之下，针对200℃以下的低温余热资源利用率则更低。以太阳能工业余热作为热源进行冬季供暖，不仅可提高能源利用效率，也可缓解供暖带来的能耗增长。工业余热等中低温热能可以通过储热系统进行回收储存，然后以供热管网或移动式供热的形式实现供热。利用相变储热技术的优势在于储热和释热过程近似等温，热控方便；储热密度较高，约为显热储热系统的1.5-2倍。相变储热技术成熟度较高，处于实验示范到规模应用的过渡阶段，在工业余热回收利用等领域已经有小规模的应用。同时，相变储热技术也面临着严峻挑战：PCM发生过冷、相分离；部分PCM稳定性较差，难以长期持续利用；PCM导热系数较小，储热释热速率小；相变过程发生体积变化。因此，要推动相变储热技术走向应用，上述挑战亟待解决。
发明内容
本发明主要解决的技术问题在于提供一种促进糖醇类相变材料结晶和降低过冷度的方法，一定程度上缓解糖醇结晶困难的问题，促进糖醇在相变换热器中的利用。
为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种可促进糖醇相变材料结晶和减小过冷度的蓄热相变换热器，其包括换热器本体，所述换热器本体的外壳由外到内由金属壳体、保温层和绝缘塑料腔体组成；所述的绝缘塑料腔体内填充有糖醇相变蓄热材料，所述绝缘塑料腔体内还设有作为工质流道的环形盘管，环形盘管与糖醇相变蓄热材料直接接触，其中，环形盘管与换热器本体的外壳相接触的管段部位采用绝缘塑料管道；换热器本体的两端在位于液相糖醇相变蓄热材料的内部区域各设置有一个电极，上下两个电极分别连接外部电源的两极；
所述糖醇相变蓄热材料采用如下方法制备：将糖醇置于真空管式炉中加热，待糖醇完全融化后，将抗氧化剂和硬脂酸盐添加在熔融态糖醇中，然后进行磁力搅拌，使抗氧化剂和硬脂酸盐均匀混合在糖醇中得到糖醇相变蓄热材料。
作为优选的，所述的外部电源输出脉冲交变电流，脉冲电流大于等于1A，脉冲电流的频率大于等于1HZ。
作为优选的，所述的电源输出的电压为24-220V。
作为优选的，糖醇在真空管式炉中的加热温度为160-200℃，加热时间为1.5-2h；磁力搅拌的温度为180-190℃。
作为优选的，所述的抗氧化剂为醇酯类抗氧化剂1010、酸酯类抗氧化剂THP-EPQ、THP-24中的一种或多种，加入量为糖醇质量的0.1-1.0％。
作为优选的，所述的硬脂酸盐为不与糖醇发生反应且在糖醇熔融状态下保持融化或溶解呈游离态的盐类，加入量为糖醇质量的1.0％-5.0％。
作为优选的，所述的硬脂酸盐为硬脂酸钙、硬脂酸锌中的一种或两种。
作为优选的，所述糖醇为糖醇共晶，或者为赤藓糖醇、甘露糖醇、肌糖醇中的一种或多种。
作为优选的，所述绝缘塑料腔体内的环形盘管为金属管，环形盘管与换热器本体的外壳相接触的管段部位采用绝缘塑料管道保证绝缘效果。
本发明还公开了一种所述蓄热相变换热器的工作方法：
当绝缘塑料腔体内的糖醇相变蓄热材料处于液相，且需要对工质进行保温或加热时，将工质从环形盘管输入，开启外部电源，外部电源输出脉冲交变电流，施加电流后，液相糖醇相变蓄热材料上下两端的电极分别吸引阴阳离子，均匀分布的阴阳离子将会向电极聚集，阴阳离子的移动会带动相变材料的流动，增强扰动，强化换热；当电流方向改变后，阴阳离子的运动方向也随之改变，使得阴阳离子不断处于运动状态，实现对相变材料不断地扰动，强化换热性能；工质通过环形盘管与相变材料接触换热，实现加热或保温。
当需要对换热器进行蓄热时，高温的洁净流体通过环形盘管进入换热器，与换热器内的糖醇相变蓄热材料接触融化相变材料，对蓄热器进行充能蓄热。
更进一步的，本发明的换热器还可独立设置一条用于蓄热时高温流体流动的环形盘管，用于蓄热的环形盘管与作为工质流道的环形盘管的设计要求相同，均可以为金属管，且其与换热器本体的外壳相接触的管段部位也采用绝缘塑料管道保证换热器后续放热应用时的绝缘效果。
本发明的有益效果在于：糖醇类相变材料在一些较小过冷度(较高冷却温度)的情况，不能实现结晶过程。应用本发明后可以实现结晶放热，因此应用本发明的相变换热器可使用的冷流最高温度可以进一步提高。对较低环境温度的结晶过程，应用本发明后可以明显提高成核温度，减小其过冷度。该方法对甘露糖醇、赤藓糖醇、肌糖醇等相变材料均有明显促进作用。该方法经济实用，有利于糖醇作为相变材料在相变换热器中的应用。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，进一步说明本发明的具体实施方式。但本发明的实施方式不限于此，凡是采用本发明权利要求限定的技术构思以及在此基础上的其他简单变换均在本发明的保护范围内。
如图1所示，可促进糖醇相变材料结晶和减小过冷度的蓄热相变换热器包括换热器本体1，所述换热器本体的外壳由外到内由金属壳体、保温层和绝缘塑料腔体组成；所述的绝缘塑料腔体内填充有糖醇相变蓄热材料2，所述绝缘塑料腔体内还设有作为工质流道的环形盘管3，环形盘管与糖醇相变蓄热材料直接接触，其中，环形盘管与换热器本体的外壳相接触的管段部位采用绝缘塑料管道；换热器本体的两端在位于液相糖醇相变蓄热材料的内部区域各设置有一个电极4，上下两个电极分别连接外部电源的两极；
所述绝缘塑料腔体内的环形盘管3为金属管，环形盘管与换热器本体的外壳相接触的管段部位5采用绝缘塑料管道保证绝缘效果。
本实施例所述的外部电源要求输出脉冲交变电流，脉冲电流大于等于1A，脉冲电流的频率大于等于1HZ，所述的电源输出的电压为24-220V。若考虑电压安全可选择可选范围内较低的电压值，若为了强化效果，可选择较高的电压值。
本发明所述糖醇相变蓄热材料采用如下方法制备：将糖醇置于真空管式炉中加热，待糖醇完全融化后，将抗氧化剂和硬脂酸盐添加在熔融态糖醇中，然后进行磁力搅拌，使抗氧化剂和硬脂酸盐均匀混合在糖醇中得到糖醇相变蓄热材料。
作为优选的，糖醇在真空管式炉中的加热温度为160-200℃，加热时间为1.5-2h；磁力搅拌的温度为180-190℃。
作为优选的，所述的抗氧化剂为醇酯类抗氧化剂1010、酸酯类抗氧化剂THP-EPQ、THP-24中的一种或多种，加入量为糖醇质量的0.1-1.0％。
作为优选的，所述的硬脂酸盐为不与糖醇发生反应且在糖醇熔融状态下保持融化或溶解呈游离态的盐类，加入量为糖醇质量的1.0％-5.0％。硬脂酸盐使相变材料可被电流导通，硬脂酸盐产生带电离子，在交变交流作用下，可使相变材料产生扰动，促进糖醇相变材料结晶，减小过冷度。
作为优选的，所述的硬脂酸盐为硬脂酸钙、硬脂酸锌中的一种或两种。
作为优选的，所述糖醇为糖醇共晶，或者为赤藓糖醇、甘露糖醇、肌糖醇中的一种或多种。
利用本发明可以促进包括赤藓糖醇、甘露糖醇、肌糖醇在内的多种糖醇在相变过程的结晶，改善其严重过冷的问题，促进糖醇相变材料在相变换热器、相变储热器等设备的应用。
本发明的工作方法如下：当绝缘塑料腔体内的糖醇相变蓄热材料处于液相，且需要对工质进行保温或加热时，将工质从环形盘管输入，开启外部电源，外部电源输出脉冲交变电流，施加电流后，液相糖醇相变蓄热材料上下两端的电极分别吸引阴阳离子，均匀分布的阴阳离子将会向电极聚集，阴阳离子的移动会带动相变材料的流动，增强扰动，强化换热；当电流方向改变后，阴阳离子的运动方向也随之改变，使得阴阳离子不断处于运动状态，实现对相变材料不断地扰动，强化换热性能；工质通过环形盘管与相变材料接触换热，实现加热或保温；
当需要对换热器进行蓄热时，高温的洁净流体通过环形盘管进入换热器，与换热器内的糖醇相变蓄热材料接触融化相变材料，对蓄热器进行充能蓄热。
实验表明在30℃的过冷度(即相变材料所处温度与文献资料中查得的凝固点温度的差值)下，在不施加脉冲电流时，加入0.1％的醇酯类抗氧化剂1010和1.0％的硬脂酸钙的20g赤藓糖醇不能实现结晶，在仅释放显热的情况下，换热器工作效果不理想。在施加脉冲交变电流(220V，50Hz)后可以实现结晶过程。糖醇结晶存在严重的过冷现象，而这种过冷现象可以通过增加扰动和强化换热的方式进行改善。本发明中硬脂酸盐溶于相变材料后，金属盐离子和硬质酸根阴离子分别以游离态分布在溶液中。由于施加电流后，溶液上下两端分别吸引阴阳离子，均匀分布的离子将会向电极聚集，阴阳离子的移动会带动相变材料的流动，增强扰动，强化换热。离子聚集到电极上之后，改变阴阳两极的方向，使得阴阳离子不断处于运动状态，实现对相变材料不断地扰动，强化其换热性能。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于蓄热相变换热器促进糖醇相变材料结晶和减小过冷度的方法，所述蓄热相变换热器包括换热器本体，所述换热器本体的外壳由外到内由金属壳体、保温层和绝缘塑料腔体组成；所述的绝缘塑料腔体内填充有糖醇相变蓄热材料，所述绝缘塑料腔体内还设有作为工质流道的环形盘管，环形盘管与糖醇相变蓄热材料直接接触，其中，环形盘管与换热器本体的外壳相接触的管段部位采用绝缘塑料管道；换热器本体的两端在位于液相糖醇相变蓄热材料的内部区域各设置有一个电极，上下两个电极分别连接外部电源的两极；
所述糖醇相变蓄热材料采用如下方法制备：将糖醇置于真空管式炉中加热，待糖醇完全融化后，将抗氧化剂和硬脂酸盐添加在熔融态糖醇中，然后进行磁力搅拌，使抗氧化剂和硬脂酸盐均匀混合在糖醇中得到糖醇相变蓄热材料；所述的硬脂酸盐为不与糖醇发生反应且在糖醇熔融状态下保持融化或溶解呈游离态的盐类，加入量为糖醇质量的1.0-5.0%；
其特征在于，所述方法为：
当绝缘塑料腔体内的糖醇相变蓄热材料处于液相，且需要对工质进行保温或加热时，将工质从环形盘管输入，开启外部电源，外部电源输出脉冲交变电流，所述的外部电源输出脉冲交变电流，脉冲电流大于等于1A，脉冲电流的频率大于等于1HZ；施加电流后，液相糖醇相变蓄热材料上下两端的电极分别吸引阴阳离子，均匀分布的阴阳离子将会向电极聚集，阴阳离子的移动会带动相变材料的流动，增强扰动，强化换热；当电流方向改变后，阴阳离子的运动方向也随之改变，使得阴阳离子不断处于运动状态，实现对相变材料不断地扰动，强化换热性能；工质通过环形盘管与相变材料接触换热，实现加热或保温；
当需要对换热器进行蓄热时，高温的洁净流体通过环形盘管进入换热器，与换热器内的糖醇相变蓄热材料接触融化相变材料，对蓄热器进行充能蓄热。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的电源输出的电压为24-220V。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，糖醇在真空管式炉中的加热温度为160-200℃，加热时间为1.5-2h；磁力搅拌的温度为180-190℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的抗氧化剂为醇酯类抗氧化剂1010、酸酯类抗氧化剂THP-EPQ、THP-24中的一种或多种，加入量为糖醇质量的0.1-1.0%。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的硬脂酸盐为硬脂酸钙、硬脂酸锌中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述糖醇为糖醇共晶，或者为赤藓糖醇、甘露糖醇、肌糖醇中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绝缘塑料腔体内的环形盘管为金属管，环形盘管与换热器本体的外壳相接触的管段部位采用绝缘塑料管道保证绝缘效果。
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