一種固體複合相變儲熱材料及其製備方法與流程
2023-09-20 02:29:55
本發明屬於儲能材料技術領域，具體涉及一種固體複合相變儲熱材料及其製備方法。
背景技術：
隨著能源短缺和環境汙染問題的日益突出，利用新能源、提高能源的利用率越來越受到人們的重視。能量存儲技術，作為解決能量供給－需求失衡問題的重要方法，備受國內外企業及相關研究機構的青睞。而其中，以相變儲能材料為基礎的熱能存儲是目前應用範圍最廣的能量存儲技術之一。
相變儲能又稱為潛熱式儲能，是利用相變潛熱方式在溫度不變的情況下儲能的材料，其原理是利用相變材料發生相態的變化或者結構轉變時由於吸收/釋放能量而進行儲/放熱，特點為：儲熱密度大、儲/放熱過程是在恆溫的條件下進行、儲/放熱速率具有可控性等。在上述儲/放熱過程中，相變材料是實現相變儲熱的介質，其在溫度高於相變點時吸收熱量從而發生相變即融化儲熱過程；當溫度下降、低於相變點時，發生逆向相變即凝固放熱過程。利用相變材料的這種蓄熱、放熱的作用，可以調節周圍環境的溫度，因此，相變儲能材料在建築供暖、空調等領域有著廣闊的前景。對於建築供暖而言，相變儲能材料一方面可以緩解能量供求雙方在時間、強度和地點上不匹配的矛盾，起到移峰填谷的作用，降低空調或供暖系統的運行維護費用；另一方面它可以減小建築物內的溫度波動，提高室內舒適度。此外，相變儲能材料應用於地暖中，還可以把多餘的能量儲存下來，等到能量供給間歇期時再使用。
一般的，把相變溫度在-50～90℃範圍內的材料劃為常低溫相變儲熱材料，此類材料在建築和日常生活中的應用較為廣泛。相變溫度低於15℃的材料主要應用於空調製冷，而相變溫度在15～90℃之間的材料則廣泛應用於太陽能儲熱和熱負載領域。
無機水合鹽類相變材料：無機結晶水合鹽通式為AB·nH2O，由於成本低、製備簡單，因而有良好的應用前景。儲熱過程主要是升溫時結晶水脫出，無機鹽熔解而吸熱；降溫時發生逆過程，吸收結晶水而放熱。但水合鹽材料易出現過冷和相分離現象，導致材料析出，降低循環壽命，嚴重製約實際應用。因結晶水合鹽的結晶成核性能較差而產生過冷現象。
有機相變儲熱材料：常用的有機儲熱材料主要包括高級脂肪烴、芳香烴、醇和羧酸等，其中石蠟材料應用最廣，其通式為CH3(CH2)nCH3，有機儲熱材料的優點是固體成形好，不易發生相分離及過冷、腐蝕性較小，但與無機儲熱材料相比導熱係數較小，使用過程中易發生洩漏。
脂酸類相變材料：為較常見的有機儲熱相變材料，其通式為CH3(CH2)2n·COOH，脂酸類相變材料的成本是石蠟的2‐2.5倍，且性能不穩定，易揮發和分解。通常採用插層法或溶膠-凝膠法與無機物(膨潤土/SiO2等)複合，以提高儲熱性能。
固-固相變材料：固-固常低溫相變儲能材料主要包括多元醇類、無機鹽類及高分子3類。其優點是性能穩定、相變體積變化較小、使用壽命長，但潛熱低、相變溫度較高、成本較高。(1)多元醇通常具有多種相變溫度，將2種多元醇按不同比例混合可獲得具有較寬相變溫度範圍的複合儲熱材料，但在使用過程中易出現過冷現象，此外加熱至相變溫度以上時易形成易揮發的塑晶。(2)無機鹽類固-固相變材料主要包括層狀鈣鈦礦類、硫氰化銨等。層狀鈣鈦礦類相變材料屬有機金屬化合物，化學通式為(nCxH2x+1NH3)MY4。該類儲熱材料的循環性能良好，但由於易碎難直接利用，通常與高分子材料混合製備成複合高分子材料。硫氰化銨(NH4SCN)作為固-固相變材料，從室溫加熱到150℃時發生多種相變，相轉變焓較高，過冷度較小，化學性能穩定。(3)高分子類固-固相變材料主要包括交聯改性聚乙烯、聚乙二醇等，使用壽命長、性能穩定、無過冷和層析現象、力學性能好，因此具備良好的應用前景。
近年來，許多研究人員對大量潛在的相變儲熱材料的物性及其測量進行了大量研究，同時也對相變材料的封裝和膠囊化進行了有意義的探索，得出了許多有價值的結果。但現有的固體蓄熱材料由鎂礦或鐵礦生產出來的鎂磚或鎂鐵合成耐火磚替代，其質量儲熱密度低、耐溫低、長期使用易粉化，生產過程汙染嚴重，這在很大程度上限制了其使用範圍。因此，研究固體複合相變材料可克服傳統固體蓄熱材料(耐火磚)單位重量儲熱低、長期使用容易粉化問題，製成滿足各級餘熱儲熱要求的複合相變材料儲熱材料將是有前途的發展方向，也是具有挑戰性的研究課題。
技術實現要素：
為了克服背景技術所述的不足，本發明提供一種固體複合相變儲熱材料及其製備方法，該方法能達到的優點是：(1)提高單位質量的儲熱密度，即總儲熱密度由顯熱和潛熱組成，(2)提高使用溫度，長期使用不易粉化。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：
一種相變儲熱材料，按照重量份數計，其組分包括：水5-7份，碳酸鈉40-50份，碳酸鉀5-10份，氧化鎂35-45份，硅藻土5-10份，石英砂1-5份，高嶺土0.5-2份；其中，各組分的作用分別是：水為融合劑；碳酸鈉和碳酸鉀為相變儲熱主體材料；氧化鎂為儲熱材料骨架；硅藻土為粘合劑；石英砂為增強劑，用於增加強度；高嶺土為粘合劑。
其中，碳酸鈉、碳酸鉀、氧化鎂和硅藻土工業級的純度大於99％，石英砂和高嶺土的工業級的純度大於80％。在設定儲熱溫度獲得最佳成型強度、體積以及最佳儲熱密度，另外石英砂、高嶺土的純度大於80％的要求主要基於矽的含量高，可以增加蓄熱磚的成型率和儲熱性。
優選的，按照重量份數計，其組分包括：水5-7份，碳酸鈉43.15份，碳酸鉀8.65份，氧化鎂37.25份，硅藻土7.3份，石英砂2.65份和高嶺土1份，其中，碳酸鈉、碳酸鉀、氧化鎂、硅藻土、石英砂、和高嶺土的粒度為-200目。
一種固體複合相變儲熱材料及其製備方法，所述的方法包括如下步驟：
1)攪拌：分別稱取相應質量的碳酸鈉、碳酸鉀放入攪拌機進行第一次攪拌，然後加入氧化鎂、硅藻土、石英砂、高嶺土進行第二次攪拌，然後以噴淋的方式加入的水，再進行第三次攪拌；
2)搓砂並過濾：將步驟1)得到的物料直接放入搖擺式顆粒機內，將所有物料全部在搖擺式顆粒機中搓砂並過濾；
3)液壓成型：將步驟2)得到的物料裝入模具中進行液壓成型；
4)燒製成型：將步驟3)液壓成型物料進行燒結，即可製備得到。
優選的，在步驟(1)中，第一次攪拌時攪拌機的轉速為20-40r/min，攪拌時間為30-40min，第二次攪拌時攪拌機的轉速為20-40r/min，攪拌時間為50-70min；第三次攪拌時攪拌機的轉速為20-40r/min，攪拌時間為30-40min。根據多次的實際攪拌過程觀察和時間測算，這個時間就可以滿足攪拌均勻。
優選的，在步驟(2)中，搖擺式顆粒機的過濾網為80目，所有物料全部在搖擺式顆粒機中搓砂過濾一次，將所有材料形成均勻的顆粒，顆粒均勻避免儲熱磚裂縫。
優選的，在步驟(3)中，壓制容積比為2.5-3.0，配方中有原材料的重量和密度，成型後有磚的重量和體積，據此可以計算出壓制容積比，保壓時間為20-30s，讓磚的材料在模具中有充分的流動時間和成型時間。
優選的，在步驟(4)中，將成型完好的儲熱磚放入高溫窯爐中進行燒成，燒成條件為：以3℃/min的升溫速率從室溫升至100℃，在100℃恆溫1h後，以3℃/min的速率升至750℃並恆溫1h，最後以3℃/min的速率降至室溫後取出。該過程使得儲熱材料與骨架緊密結合，固化成型。
本發明的優點是：
(1)本發明生產出的儲熱材料無毒、無害、無汙染；
(2)本發明生產出的儲熱材料儲熱密度高，比普通的材料高2倍以上；
(3)本發明生產出的儲熱材料可以耐高溫，可以實現儲熱材料加熱到650度以上；
(4)本發明生產出的儲熱材料本身密度小，是普通蓄熱材料密度的一半左右；
(5)本發明生產出的儲熱材料可以實現相變蓄熱，大大提高了蓄熱能力，節省能源。
附圖說明
圖1為本發明的樣品檢測結果圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的說明：
製備樣品：
1)攪拌：分別稱取43.15份的碳酸鈉、8.65份的碳酸鉀放入攪拌機進行第一次攪拌，然後加入37.25份的氧化鎂、7.3份的硅藻土、2.65份的石英砂、1份高嶺土進行第二次攪拌，然後以噴淋的方式加入的水，再進行第三次攪拌；
2)搓砂並過濾：將步驟1)得到的物料直接放入搖擺式顆粒機內，將所有物料全部在搖擺式顆粒機中搓砂並過濾；
3)液壓成型：將步驟2)得到的物料裝入模具中進行液壓成型；
4)燒製成型：將步驟3)液壓成型物料進行燒結，即可製備得到樣品。
在步驟(1)中，第一次攪拌時攪拌機的轉速為30r/min，攪拌時間為35min，第二次攪拌時攪拌機的轉速為30r/min，攪拌時間為60min；第三次攪拌時攪拌機的轉速為30r/min，攪拌時間為30min。根據多次的實際攪拌過程觀察和時間測算，這個時間就可以滿足攪拌均勻。
在步驟(2)中，搖擺式顆粒機的過濾網為80目，所有物料全部在搖擺式顆粒機中搓砂過濾一次，將所有材料形成均勻的顆粒，顆粒均勻避免儲熱磚裂縫。
在步驟(3)中，壓制容積比為2.7，配方中有原材料的重量和密度，成型後有磚的重量和體積，據此可以計算出壓制容積比5左右，保壓時間為28s，讓磚的材料在模具中有充分的流動時間和成型時間。
在步驟(4)中，將成型完好的儲熱磚放入高溫窯爐中進行燒成，燒成條件為：以3℃/min的升溫速率從室溫升至100℃，在100℃恆溫1h後，以3℃/min的速率升至750℃並恆溫1h，最後以3℃/min的速率降至室溫後取出。該過程使得儲熱材料與骨架緊密結合，固化成型。
樣品檢測：
採用NETZSCH DSC 204F1Phoenix 240-12-0112-L儀器進行檢測，採用的樣品質量：70.48mg，儀器設置定的溫度範圍：0-690℃，儀器的升溫速率10.0k/min，測試的坩堝：Pt，測試的氣氛及流速：N2/30.0ml。測試結果見圖1，由圖1可知，隨著溫度的升高，相變材料的比熱也逐漸升高，相變材料的儲熱能量也逐漸升高，該材料完全可以實現儲熱需求。
最後應說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之中。