CN114854374A - 一种复合共晶盐相变蓄冷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复合共晶盐相变蓄冷材料及其制备方法：相变蓄冷材料包括如下组分：十水硫酸钠79‑81wt％、成核剂3‑5wt％、相变点调节剂10‑16wt％以及增稠剂2‑4wt％。制备：(1)按比例，取十水硫酸钠晶体，加热融化并保温，将成核剂与相变点调节剂加入融化的十水硫酸钠中混合，得到混合物料；(2)向混合物料中加入增稠剂并搅拌至材料呈稳定凝胶状，保温静置，冷却，得凝胶状相变蓄冷材料。本发明的相变材料安全无毒，成分简单，成本低，过冷度小，材料的相变潜热较高且性能稳定，结合制备过程中将材料保温后再冷却至室温的方法可以降低材料的过冷度；材料多次冻融循环不会出现分层现象，使用寿命长，适合建筑空调系统、数据中心及机房蓄冷系统连续供冷要求等应用场合。

Description

一种复合共晶盐相变蓄冷材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合无机共晶盐相变蓄冷材料制备与研发应用技术领域，具体来说，涉及一种复合共晶盐相变蓄冷材料及其制备方法。

背景技术

在化石能源日益短缺和用户负荷迅猛增长的背景下，中国对新能源技术的需求越来越大，以风电、光伏水电为主的新能源将成为新增电能供应的主体，但由于新能源发电有着强随机性、波动性和间歇性。因此，要保障不同时间尺度电力供需平衡和新能源高水平消纳，近年来提出利用蓄冷空调技术在夜间对风能太阳能进行消纳，在日间用电峰段释冷，降低空调的制冷功率，缓解电网的负荷压力，能够解决蓄冷空调能耗大和电网负荷时空不匹配的问题。因此实现高密度蓄冷是目前蓄冷空调技术需要解决的关键问题。

水合无机共晶盐由于具有较高的相变潜热，不具备可燃性，成本低等优势，在低温蓄冷领域备受关注，是常用的相变材料。然而其也存在其固有的缺陷，即在相变过程中容易失去结晶水造成其结晶成核能力差，存在过冷度、相分离现象等，从而降低了材料的储、放冷性能和循环使用寿命。在目前学者研制的材料实际应用过程中，随着循环次数的增多过冷度不可避免会出现波动，且材料成分复杂研制成本高。因此，研发适用于空调工况温度下、过冷度小且不会出现分层问题的相变蓄冷材料以及如何降低材料过冷度，维持材料性能稳定就显得十分关键和重要。

发明内容

为了克服和弥补目前无机共晶盐相变蓄冷材料在过冷度和相分层问题上的不足，本发明的目旨在提供一种复合共晶盐相变蓄冷材料及其制备方法，解决材料在使用过程中出现的相分离问题，并且维持较稳定的蓄释冷性能。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种复合共晶盐相变蓄冷材料，其特征在于，包括如下质量分数的组分：十水硫酸钠(Na₂SO₄·10H₂O)79-81wt％、成核剂3-5wt％、相变点调节剂10-16wt％以及增稠剂2-4wt％。

进一步的，一种复合共晶盐相变蓄冷材料：所述的成核剂为硼砂。

进一步的，一种复合共晶盐相变蓄冷材料：所述的相变点调节剂为氯化铵固体或者氯化钾固体。

进一步的，一种复合共晶盐相变蓄冷材料：所述的增稠剂为聚丙烯酸钠。

进一步的，一种复合共晶盐相变蓄冷材料：所述相变蓄冷材料的相变凝固温度温度为6.1-9.5℃，相变融化温度为10.3-13.2℃，相变潜热为114.8kJ/kg，过冷度在1℃以下，应用于供冷范围是5-18℃。

一种复合共晶盐相变蓄冷材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)按比例取十水硫酸钠晶体，加热融化并保温，然后按质量分数将所述成核剂与所述相变点调节剂加入融化的十水硫酸钠中混合均匀，得到混合物料；

(2)向所述混合物料中加入所述增稠剂并搅拌，至材料呈稳定凝胶状，然后保温静置，再冷却，即得到凝胶状相变蓄冷材料。

进一步的，一种复合共晶盐相变蓄冷材料的制备方法：步骤(1)按比例取十水硫酸钠晶体于40-60℃水浴条件下加热融化。

进一步的，一种复合共晶盐相变蓄冷材料的制备方法：步骤(2)向所述混合物料中加入所述增稠剂并搅拌均匀，直至材料呈均匀稳定凝胶状，然后在32-45℃下保温静置，再冷却至室温，即得到凝胶状相变蓄冷材料。

为了达到预期的技术效果，本发明提供了一种复合共晶盐相变蓄冷材料及其制备方法；所述的复合共晶盐相变蓄冷材料包括如下质量分数的组分：79-81wt％十水硫酸钠(Na₂SO₄·10H₂O)、3-5wt％成核剂(硼砂Na₂B₄O₇.10H₂O)、10-16wt％相变点调节剂(氯化铵/氯化钾NH₄Cl/KCl)和2-4wt％增稠剂(聚丙烯酸钠(C₃H₃NaO₂)n)。在本发明的复合共晶盐相变蓄冷材料中主要以十水硫酸钠共晶盐为相变储能材料，硼砂作为成核剂降低材料整体过冷度，氯化铵/氯化钾为材料相变点调节剂，聚丙烯酸钠作为增稠剂有效避免材料出现相分层。该材料的相变凝固温度温度为6.1-9.5℃，相变融化温度为10.3-13.2℃，相变潜热约为114.8kJ/kg，过冷度在1℃以下。

本发明的有益效果：

(1)与现有共晶盐相变蓄冷材料相比，本发明的复合共晶盐相变蓄冷材料安全无毒，成分简单，制备工艺简单，且原材料成本低，过冷度小，材料的相变潜热较高且性能稳定，结合制备过程中将材料保温后再冷却至室温的方法可以降低材料的过冷度，无须外力搅拌。另外，本发明制备的复合共晶盐相变蓄冷材料随着多次冻融循环不会出现分层现象，使用寿命长，特别适合建筑空调系统、数据中心及机房蓄冷系统连续供冷要求等应用场合。

(2)本发明的复合共晶盐相变蓄冷材料主要以十水硫酸钠共晶盐为相变储能材料，硼砂作为成核剂降低材料整体过冷度，氯化铵/氯化钾为材料相变点控制剂，聚丙烯酸钠作为增稠剂有效避免材料出现相分层。本发明的相变蓄冷材料蓄冷凝固时相变温度为6.1-9.5℃，释冷融化时的相变温度为10.3-13.2℃，过冷度在1℃以下，相变潜热约为114.8kJ/kg,材料的过冷度较小，随着循环次数增加温度波动小，热循环稳定性较好，不会出现相分层现象，配制简单且成本低。本发明的相变蓄冷材料使用寿命较长，且无需外力机械搅拌，减小系统额外配备加热设备的能耗，节约运维成本，适用于建筑蓄冷空调、数据中心蓄冷等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为实施例1的相变蓄冷过程步冷曲线；

图2为实施例2的相变蓄冷过程步冷曲线；

图3为实施例2循环1次、10次和20次后的相变材料的蓄冷步冷曲线。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种复合共晶盐相变蓄冷材料，其特征在于，包括如下质量分数的组分：十水硫酸钠(Na₂SO₄·10H₂O)80wt％、硼砂(Na₂B₄O₇.10H₂O)3wt％、氯化铵(NH₄Cl)14wt％以及聚丙烯酸钠((C₃H₃NaO₂)n)3wt％。

实施例1所述复合共晶盐相变蓄冷材料的制备方法，包括如下具体步骤：

(1)按质量分数比，取十水硫酸钠晶体于45℃水浴条件下加热融化并保温，然后将所述硼砂和氯化铵加入融化的十水硫酸钠中混合均匀，得到混合物料；

(2)然后向所述混合物料中加入所述聚丙烯酸钠并搅拌均匀，直至材料呈均匀稳定凝胶状，然后在35℃下保温静置，再冷却至室温，即可得到凝胶状相变蓄冷材料。

对所制备的材料蓄冷过程进行测试，取10g相变材料于反应容器中封装，置于5℃的水浴中进行降温凝固，利用数据采集仪对材料温度进行监测、每隔10s采集一次数据，在200s左右材料开始相变，相变温度为7.13℃，过冷度小于0.1℃，相变时间约为200s(如图1所示)。对该材料作反复冻融循环20次以上，材料无明显分层现象。

实施例2

一种复合共晶盐相变蓄冷材料，其特征在于，包括如下质量分数的组分：十水硫酸钠(Na₂SO₄·10H₂O)79wt％、硼砂(Na₂B₄O₇.10H₂O)3wt％、氯化铵(NH₄Cl)14wt％以及聚丙烯酸钠((C₃H₃NaO₂)n)4wt％。

实施例2所述复合共晶盐相变蓄冷材料的制备方法，包括如下具体步骤：

(1)按质量分数比，取十水硫酸钠晶体于50℃水浴条件下加热融化并保温，然后将所述硼砂和氯化铵加入融化的十水硫酸钠中混合均匀，得到混合物料；

(2)然后向所述混合物料中加入所述聚丙烯酸钠并搅拌均匀，直至材料呈均匀稳定凝胶状，然后在40℃下保温静置，再冷却至室温，即可得到凝胶状相变蓄冷材料。

对所制备的材料蓄冷过程进行测试，取10g相变材料于反应容器中封装，置于5℃的水浴中进行降温凝固，利用数据采集仪对材料温度进行监测、每隔10s采集一次数据，在200s左右材料开始相变，相变温度为7.06℃，过冷度小于0.1℃，相变时间约为200s(如图2所示)。对该材料作反复冻融循环20次以上，材料无明显分层现象。

实施例3

一种复合共晶盐相变蓄冷材料，其特征在于，包括如下质量分数的组分：十水硫酸钠(Na₂SO₄·10H₂O)81wt％、硼砂(Na₂B₄O₇.10H₂O)3wt％、氯化铵(NH₄Cl)14wt％以及聚丙烯酸钠((C₃H₃NaO₂)n)2wt％。

实施例3所述复合共晶盐相变蓄冷材料的制备方法，包括如下具体步骤：

(1)按质量分数比，取十水硫酸钠晶体于60℃水浴条件下加热融化并保温，然后将所述硼砂和氯化铵加入融化的十水硫酸钠中混合均匀，得到混合物料；

(2)然后向所述混合物料中加入所述聚丙烯酸钠并搅拌均匀，直至材料呈均匀稳定凝胶状，然后在40℃下保温静置，再冷却至室温，即可得到液态糊状相变蓄冷材料。

对所制备的材料蓄冷过程进行测试，取10g相变材料于反应容器中封装，置于5℃的水浴中进行降温凝固，利用数据采集仪对材料温度进行监测、每隔10s采集一次数据，在200s左右材料开始相变，相变温度为6.95℃，过冷度小于0.2℃，相变时间约为200s。对该材料作反复冻融循环20次以上，材料出现了明显分层且失效。

实施例4

一种复合共晶盐相变蓄冷材料，其特征在于，包括如下质量分数的组分：十水硫酸钠(Na₂SO₄·10H₂O)80wt％、硼砂(Na₂B₄O₇.10H₂O)4wt％、氯化铵(NH₄Cl)12wt％以及聚丙烯酸钠((C₃H₃NaO₂)n)4wt％。

实施例4所述复合共晶盐相变蓄冷材料的制备方法，包括如下具体步骤：

(1)按质量分数比，取十水硫酸钠晶体于55℃水浴条件下加热融化并保温，然后将所述硼砂和氯化铵加入融化的十水硫酸钠中混合均匀，得到混合物料；

(2)然后向所述混合物料中加入所述聚丙烯酸钠并搅拌均匀，直至材料呈均匀稳定凝胶状，然后在40℃下保温静置，再冷却至室温，即可得到凝胶状相变蓄冷材料。

对所制备的材料蓄冷过程进行测试，取10g相变材料于反应容器中封装，置于5℃的水浴中进行降温凝固，利用数据采集仪对材料温度进行监测、每隔10s采集一次数据，在210s左右材料开始相变，相变温度为6.1℃，过冷度小于0.1℃，相变时间约为200s。对该材料作反复冻融循环20次以上，材料无明显分层现象。

测试：对上述实施例1和实施例2中的相变蓄冷材料进行冻融循环周期测试，对循环次数为1次、10次和20次的材料数据进行采集，随着循环次数增多，材料温度波动小，按照配制方法中的步骤，将材料加热到32℃以上维持一段时间后，然后冷却至室温，继续下一周期的冻融循环，过冷度由原来的1℃下降到0.3℃。

上述测试显示了蓄冷材料在实际运行过程中降低共晶盐蓄冷材料过冷度的方法，现有学者研制的无机共晶盐相变材料在实际运行中，无机共晶盐材料长期处于5-12℃低温工况下运行，随着蓄冷释冷过程次数增加会出现相变点波动以及过冷度增加的问题，且材料配制成本和维护成本随着材料失效大大提高。结合本发明提供的一种蓄冷材料的制备方法，本发明提供的蓄冷材料制备工艺方便可操作，材料成分简单成本低，材料性能稳定，且提供了蓄冷前再加热冷却的手段可有效减小材料过冷度，无须外力搅拌材料和额外提供能量维持材料性能，在建筑蓄冷空调系统以及数据中心、机房等需要连续供冷蓄冷的场合中应用能够起到良好的效果。

上述为本发明的较佳实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。凡由本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种复合共晶盐相变蓄冷材料，其特征在于，包括如下质量分数的组分：十水硫酸钠79-81wt％、成核剂3-5wt％、相变点调节剂10-16wt％以及增稠剂2-4wt％。

2.根据权利要求1所述的一种复合共晶盐相变蓄冷材料，其特征在于，所述的成核剂为硼砂。

3.根据权利要求1所述的一种复合共晶盐相变蓄冷材料，其特征在于，所述的相变点调节剂为氯化铵固体或者氯化钾固体。

4.根据权利要求1所述的一种复合共晶盐相变蓄冷材料，其特征在于，所述的增稠剂为聚丙烯酸钠。

5.根据权利要求1所述的一种复合共晶盐相变蓄冷材料，其特征在于，所述相变蓄冷材料的相变凝固温度温度为6.1-9.5℃，相变融化温度为10.3-13.2℃，相变潜热为114.8kJ/kg，过冷度在1℃以下，应用于供冷范围是5-18℃。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种复合共晶盐相变蓄冷材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)按比例取十水硫酸钠晶体，加热融化并保温，然后按质量分数将所述成核剂与所述相变点调节剂加入融化的十水硫酸钠中混合均匀，得到混合物料；

(2)向所述混合物料中加入所述增稠剂并搅拌，至材料呈稳定凝胶状，然后保温静置，再冷却，即得到凝胶状相变蓄冷材料。

7.根据权利要求6所述的一种复合共晶盐相变蓄冷材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)按比例取十水硫酸钠晶体于40-60℃水浴条件下加热融化。

8.根据权利要求6所述的一种复合共晶盐相变蓄冷材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)向所述混合物料中加入所述增稠剂并搅拌均匀，直至材料呈均匀稳定凝胶状，然后在32-45℃下保温静置，再冷却至室温，即得到凝胶状相变蓄冷材料。

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