相變儲能陶粒及其製備方法
2023-05-08 06:35:16
專利名稱：相變儲能陶粒及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種相變儲能材料，具體為一種相變儲能陶粒及其製備方法。
目前相變儲能技術的熱點之一是在生態建築中應用。包括採用材料複合製備技術將相變物質與封裝或骨架材料複合在一起，製成複合材料，例如德國BASF公司和Fraunhofer太陽能系統研究所合作採用微膠囊技術將相變物質封裝在高分子聚合物中，製備成相變儲能泥灰，便於在建築領域使用。該方法的優點是相變物質儲藏可靠性高，儲能耐久性好，但成本較高。還有的將相變物質與建築製品直接複合，使建築結構同時具有承重和相變儲能的雙重功能，例如加拿大Concordia大學Feldman教授等人將有機相變物質滲入建築製品(如石膏板或多孔混凝土砌塊等)，製成具有相變潛熱儲能功能的建築牆板和砌塊等。這一方法的優點是成本比較低，但目前還存在相變物質在使用過程中容易洩漏，儲藏可靠性等問題。在目前的太陽能建築中還是以混凝土、卵石等材料的顯熱方式儲存熱能為主，雖然顯熱儲能的儲能密度不高、體積較大，但具有成本低廉和儲能性能長期穩定的優點，因此，要取代顯熱儲熱能在建築領域中的地位，相變潛熱儲能技術必需同時解決成本過高和耐久性(即相變物質的儲藏可靠性)兩個問題。
本發明提出的相變儲能材料，以輕質多孔陶粒為基體，其內部吸附儲存有有機相變物質，外部包覆有聚合物基複合材料膜層；該陶粒的孔隙率為50-80％，陶粒中有機相變物質的體積含量為40-70％，外覆膜層的厚度為10-100微米。
由於上述相變儲能材料以陶粒為基體，故稱其為相變儲能陶粒。該相變儲能陶粒具有優越的性能，其相變溫度為5-70℃之間，相變儲能密度大於30MJ/m3，相變過程換熱係數大於3.0kW/℃·m3。
上述相變儲能陶粒的陶粒基體一般可採用黏土，頁巖、膨脹珍珠巖等，其形狀和大小尺寸沒有限制，有機相變物質一般可採用石蠟(即烷烴混合物)或脂肪酸及其衍生物等；外層聚合物基複合材料一般採用樹脂、乳液等作為基材，採用導熱係數高(大於10w/m·k)的金屬或無機非金屬(如鋁、鐵氧體、粉煤灰、礦渣、矽灰等)粉末作為填料，使膜層具有低滲透、高傳熱性能，填料佔複合材料的重量比為1-4％。
本發明提出的相變儲能陶粒的製備方法為，採用真空浸滲法，使陶粒吸收和儲存有機相變物質；再採用沉浸法，在陶粒外部塗覆聚合物基複合材料膜層。
上述製備方法中，真空浸滲法的步驟如下先用抽真空的方法抽除陶粒中的空氣，真空壓一般高於80KPa，然後在真空環境下將陶粒浸泡於有機相變物質溶液中；去掉真空，再繼續浸泡10分鐘以上即可。本發明方法中，所選用的陶粒的孔隙率要求在50-80％之間(壓汞法)，孔連通性在50-95％之間(圖像分析法)。孔內酸鹼環境為中性，對有機相變物質無副作用，以適合大容量和長時間儲存有機相變物質，並保護有機相變物質免受外界環境作用，延長其儲能功能的壽命，提高其耐久性。所選用的有機相變物質的相變焓要求在100J/g以上，相變溫度在5～70℃之間選擇，價格便宜，容易大量獲得。密封膜層的孔隙率要求小於5％，孔連通性小於2％(圖像分析法)。
本發明採用陶粒作為有機相變物質的儲藏介質，陶粒的孔結構具有內部孔隙率和孔徑比較大、邊界處孔隙率和孔徑很小的特點，非常適合對液態物質的長期儲藏，通過在陶粒外增加一個低滲透性膜層，進一步提高其儲藏可靠性和儲能性能的長期穩定性。在相變換熱效率方面，由於陶粒孔結構將有機相變物質分化為非常細小的個體，大大增加其相變換熱效率，而陶粒孔結構骨架還可發揮類似傳熱工程中的翅的強化傳熱功能，這些都使得相變儲能陶粒具有非常高的相變過程換熱效率。此外，陶粒材料來源廣泛、價格非常便宜，製備工藝簡單，容易實現工業化生產。因此相變儲能陶粒可以同時具有成本低廉、儲能性能長期穩定和相變過程換熱效率高的優點，非常適合在建築等領域應用。相變儲能陶粒既可直接作為成品獲得使用，也可用作原材料製備相變儲能複合材料。例如，在直接使用方面，可採用相變儲能陶粒替代冰球，用於相變蓄冷設備中，可以在建築蓄冷和工業蓄冷領域推廣使用，產生非常可觀的經濟效益。在作為原材料使用方面，可以採用相變儲能陶粒、水泥或石膏等製作具有相變儲能功能的牆體，有助於建築節能。
實施例2採用孔隙率為73.3％膨脹黏土陶砂儲存有機相變物質，陶砂的最大粒徑為3毫米，形狀為橢球形。選用熔點為45℃、相變焓為200J/g的石蠟(烷烴混合物)作為有機相變物質。真空浸滲參數為抽真空時間為30分鐘，真空壓為88.5kPa，浸泡時間為30分鐘。有機相變物質在陶粒中的儲存量為60％。密封膜層材料採用硬化純聚合物乳液基複合材料，乳液採用商用的丁苯橡膠乳液，加入2％體積含量的鋁粉。加密封膜層後的相變儲能陶粒的中有機相變物質的含量為59.1％。相變儲能陶粒的相變溫度為46.5℃，相變儲能密度為66.8MJ/m3，相變過程換熱係數為3.8kW/℃·m3。
實施例3採用孔隙率為75.6％膨脹黏土陶粒儲存有機相變物質，陶粒的最大粒徑為20毫米，形狀近似為球形。選用熔點為22℃，相變焓為128.5J/g的硬脂酸丁酯為有機相變物質。真空浸滲參數為抽真空時間為30分鐘，真空壓為88.5kPa，浸泡時間為35分鐘。有機相變物質在陶粒中的儲存量為67.5％。密封膜層採用由環氧樹脂和鋁粉組成的複合材料，鋁粉的體積含量為2％。加密封層後的相變儲能陶粒中有機相變物質的含量為65.7％。相變儲能陶粒的相變溫度為23.1℃，相變儲能密度為44.8MJ/m3，相變過程換熱係數為4.3kW/℃·m3。
權利要求
1.一種相變儲能陶粒，其特徵在於以輕質多孔陶粒為基體，其內部吸附儲存有有機相變物質，外部包覆有聚合物基複合材料膜層；該陶粒的孔隙率為50-80％，陶粒中有機相變物質的體積含量為40-70％，外覆膜層的厚度為10-100微米。
2.根據權利要求1所述的相變儲能陶粒，其特徵在於陶粒基體採用黏土、頁巖、膨脹珍珠巖。
3.根據權利要求1所述的相變儲能陶粒，其特徵在於有機相變物質為石蠟或脂肪酸及其衍生物。
4.根據權利要求1所述的相變儲能陶粒，其特徵在於外層聚合物基複合材料以樹脂、乳液作為基材，以導熱係數大於10w/m·k的金屬或無機非金屬粉末作為填料，填料佔複合材料重量比1-4％。
5.一種如權利要求1-4之一所述的相變儲能陶粒的製備方法，其特徵在於採用真空浸滲法，使陶粒吸收和儲存有機相變材料；再採用沉浸法，在陶粒外部塗覆聚合物基複合材料膜層。
6.根據權利要求5所述的製備方法，其特徵在於真空浸滲法的步驟如下先通過抽真空抽除陶粒中的空氣，然後在真空環境下將陶粒浸泡於有機相變物質溶液中；去掉真空，再繼續浸泡30分鐘以上。
全文摘要
本發明為一種相變儲能陶粒及其製備方法。該相變儲能陶粒以輕質多孔陶粒為基體，其內部吸附、儲存有有機相變物質，外部包覆有聚合物基複合材料膜層。其製備方法是先用真空浸滲法使陶粒吸附儲存有機相變物質，再採用沉浸法塗覆聚合物基複合材料膜層。本發明的相變儲能陶粒儲能長期穩定，相變過程換熱效率高，非常適合於建築等領域應用。而且，材料來源廣泛、價格便宜，製備工藝簡單，容易實現工業化生產。
文檔編號C09K5/02GK1475543SQ03128999
公開日2004年2月18日 申請日期2003年6月2日 優先權日2003年6月2日
發明者張東, 吳科如, 張 東 申請人:同濟大學