蓄熱介質的製作方法

2023-05-05 09:32:26

專利名稱：蓄熱介質的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及用於潛熱蓄熱器或潛冷蓄冷器的例如石臘一類蓄熱介質，這各蓄熱介質是在形成晶體結構的情況下凝固的。
潛熱蓄熱器一般用以有效地使發生熱量或冷量和後續的耗用熱量或冷量這兩者之間暫時分開。這就能使熱量或冷量發生器高效地長時間地連續運行，並可降低其啟動、停機和停工的費用。這種蓄熱器可用於例如從太陽能源或化石能源獲取熱量的設備中，也還可用於冷卻循環系統中。
關於現有技術，可參閱例如DE-A12741829。根據此資料，在潛熱蓄熱器中將封裝在塑料容器中的大量石臘用作蓄熱介質。再將這些塑料容器裝在充滿了水的蓄熱器中。向這種潛熱蓄熱器傳遞熱量只是依靠經由塑料容器到石臘的熱傳導來取得的。這種蓄熱器稱作靜態蓄熱器。
此外，關於已知的所謂動態蓄熱器，可參閱例如DD236862和DD280113。此外，還可參閱DE-A14122859。就這些資料來看，存在的缺點是通過汽化水或醇基液體就是很難使傳熱介質散市到石臘一類蓄熱介質中去。這就使潛熱蓄熱器對熱量的輸入反應很遲緩。
基於以上所述現有技術，本發明的一個目的是提供一種用於潛熱蓄熱器(潛冷蓄冷器)對熱量的輸入反應很快的石臘一類蓄熱介質。此外，還應考慮到蓄熱介質應與環境相適應的問題。
這一目的可通過權利要求1所述內容來達到，即在於用一種結構添加劑將晶體結構最好改變成空心錐體一類空心結構。這樣就可使現有技術中石臘基蓄熱介質所具有的片狀晶體結構改變成空心錐體形或管狀結構。按本發明，直接通過改變石臘一類蓄熱介質的晶體結構就可改善蓄熱介質對熱量輸入的反應。經發現，通過這種晶體結構的改變，石臘一類蓄熱介質實際上可能採取多孔性的結構。舉例來說，通過輸入熱量所形成的水蒸汽不僅能進入蓄熱介質的下部區域，而且能很快地散布到整個蓄熱介質中去。這幾乎是一瞬間就作出的反應，也就是蓄熱介質瞬即熔化，因而儲存了熱量。以上和以下本發明所提到的石臘包括正石臘(液體)和粗石臘一類鏈烷烴。此外，也還概括了所謂的中間石臘和微晶臘。作為本發明的一個實施例，可將結構添加劑均勻地溶解在蓄熱介質中。特別是，作為結構添加劑，成功地採用了基於聚烷基異丁烯酸酯(PAMA)和聚烷基丙烯酸酯(PAA)的添加劑，對這些添加劑可以分別單獨地使用，也可組合起來使用。這些添加劑改變晶體結構的作用是由於聚合物分子進入生長中的石臘晶體中阻止了這種晶形的繼續生長。由於在均勻的石臘型和締合型溶液中存在著聚合物分子，石臘就可以在一些特定的締合物上生長。這樣就形成了空心錐體並不易再形成網絡。由於這種結構添加劑對各種石臘的結晶過程具有協合作用，就可取得空心結構，也就取得與未加入添加劑的石臘相比更為良好的穿越石臘這樣一種蓄熱介質的流動性(例如對水蒸汽來說就是這樣)。一般來說，乙烯乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、乙烯-丙烯共聚物(OCP)和二烯-苯乙烯共聚物在作為單獨成分或作為混合物的情況下以及烷化萘(Paraflow)都可用作結構添加劑。結構添加劑的比例可是幾百分之一，實際上約為0.01的重量百分比直至1個重量百分比，在這種情況下都可取得在相當程度上具有改進作用的晶體結構改變。更高的劑量會造成不利因素，因為這會形成很多小晶體，從而形成一種緻密的晶體堆積，以致對穿越蓄熱介質的流動性造成不良影響。特別是，結構添加劑的比例還取決於蓄熱介質的熔化溫度。對於熔點較高的蓄熱介質或高熔點石臘，為取得同等的效果一般與熔點較低者相比要求重量百分比更高的結構添加劑。在本發明的另一實施例中，在採用固體的鏈烷烴(粗石臘、中間石臘和微晶臘)的情況下使蓄熱介質含有一些液體成分(低熔點正烷烴、異烷烴和環烷烴)，也就是含有一種所謂的油份。眾所周知，真空餾份中的鏈烷烴是通過要求一定油份的各種不同的工藝分離過程取得的。經發現，在採用以下將詳述的一種蓄熱介質的情況下將油份調整在0.1至10個重量百分比之間是比較有利的。在本實施例中，在將熱量輸入固體狀態下的蓄熱介質時，在介質中均勻分布的油份就會從蓄熱介質中滲出並在重力作用下向下流去。這在與所述「多孔性」相比之下可在蓄熱介質中取得更寬的通路，從而可使傳熱介質更迅速地穿越蓄熱介質。但，這種蓄熱介質中的油份在大多數情況下只是在蓄熱介質於室溫下凝固的情況下才有意義。此外，在本發明的範圍內最好再對石臘的碳鏈長度作仔細的調整，也就是選取一種特定的餾分使餾分相對較窄。窄餾分意味著可取得僅幾個數的鏈長，例如從C14到C16或從C20到C23。當然，至少在大批生產中無特定的措施下這種餾分往往是按頻率分布取得的，因此，上述方法意味著在任何情況下在給定的蓄熱介質用量中絕大部分是由鏈長只有幾個數的介質構成的。特別是，餾分取決於所需熔化溫度。此外，經證明，最好選用偶數正碳鏈(正烷烴)。這樣，在所謂的隔離狀態下可取得相變下極高的蓄熱能力。在這方面必須考慮到至少在大批生產下往往不可能在合理的費用下生產「純」偶數的碳鏈。但在任何情況下儘可能加大偶數碳鏈的含量總是有利的。在本發明的另一實施例中，採用了沸騰體或晶核形成物，其比重至少應使其在蓄熱介質中呈懸浮狀態。由於蓄熱介質隨其處於液態還是處於固態而具有不同的比重，特別應使這些沸騰體或晶核形成物與液態下的比重相適應。只要使其在液態介質中均勻分布，不論不同的比重是否佔優勢，即使在凝固中也不會產生偏折。這種比重可通過例如塑料顆粒或泡沫玻璃體取得。最好採用較小的沸騰體或晶核形成物，即在毫米或幾分之一毫米以內，這就能使其很均勻地分布在蓄熱介質內。特別是在與上述用結構添加劑使蓄熱介質的晶體結構改變成空心結構的方法結合使用的情況下，以上這些物體不僅在冷凝過程中作為晶核形成物具有良好作用，而且在蓄熱介質內沸騰時也具有良好的作用。實際上經調整成為多孔性的蓄熱介質結構在例如採用水作為傳熱介質時，在輸入熱量的情況下會使水蒸汽在其內部擴散，水蒸汽在較冷的蓄熱介質的上面立即冷凝。隨之而來的水蒸汽會重新導致沸騰，此沸騰過程在分布於蓄熱介質中的沸騰體的強化作用下實際上會立即均勻地再次發生。這些沸騰體或晶核形成物至少應在蓄熱介質內(由於其比重的原因)處於懸浮狀態，這一特徵要求意味著還可採用其他類似沸騰體(或另外一組沸騰體)使其成為在蓄熱介質內懸浮的物體。這特別適用於採用酒精那樣的比重較蓄熱介質為低的傳熱介質的情況。此外，在本發明的範圍內，還應使傳熱介質也含有沸騰體或晶核形成物(但，一般在傳熱介質中僅起沸騰體的作用)。在傳熱介質為水的情況下，這些沸騰體確定可比水重，因而積存在相應潛熱蓄熱器的底部(因為在這裡優選的動態潛熱蓄熱器內，較輕的介質一般會處於較重的上面)。但，在傳熱介質內也可採用懸浮體或幾乎呈懸浮狀態的物質作為沸騰體，這同樣會是有利的，因為這些沸騰體在傳熱介質確實重於蓄熱介質的情況下會被猛烈地投入蓄熱介質，這進一步加快了蓄熱介質所需求的熔化過程。儘管從產生晶核和消除沸騰的延緩現象來看其作用是不同的，但這兩種作用一般是由同一物體引起的，以致對材料來說是不必加以區分的。對這種物體，在蓄熱介質或傳熱介質內最好採用1-10個重量百分比。不言而喻，即使幾分之一的體積百分比也會起到一定的作用。對於沸騰體或晶核形成物也可根據其比重使其部分地懸浮在傳熱介質中，部分地懸浮在蓄熱介質中。這可通過實際安排來取得，舉例來說，如傳熱介質(水)明顯地重於蓄熱介質(石臘)，沸騰體或晶核形成物的比重就應介於蓄熱介質的比重和傳熱介質的比重之間。這樣，這些物體就會相應地處於兩種介質之間的邊界層上。在這方面可以使這些物體具有長杆狀或觸角狀延伸體，這樣，這些物體就可伸出例如一定量的延伸體使其進入傳熱介質來補償其相對於蓄熱介質較重的問題。在這方面最好是使杆狀或觸角狀延伸體伸進傳熱介質。至於其餘部分可對晶核形成物或沸騰體按其比重加以選擇使其或者僅留在蓄熱介質中(處於懸浮狀態)或者僅留在傳熱介質中。在另一優選實施例中，在填充介質中採用了防沫劑。防沫劑主要用於石臘或類似介質。在這方面可參閱有關資料。但是，就用於潛熱蓄熱器或潛冷蓄冷器的填充劑來說，這種防沫劑具有重要意義。在蓄熱介質中所形成的泡沫會在傳熱介質表面上形成局部較低的傳熱係數，從而降低傳熱效率。通過在蓄熱介質中加入防沫劑就可取得進一步的改進。已知的防沫劑例如是以矽氧烷、聚烷氧基化物、脂肪醇的烷氧基化物或羧酸酯為基的。在另一實施例中，還在蓄熱介質中採用了抗氧化劑。這可防止蓄熱介質的老化，這是通過例如裂解碳鏈而形成的。對於石臘來說，已知的抗氧化劑是以多烷基化的酚和氮取代的苯二胺為基的。在這方面還可參閱有關石臘的資料。
本發明的另一目的是提供一種添加劑，用於潛熱蓄熱器(潛冷蓄冷器)中在形成晶體結構的情況下結晶化的石臘一類蓄熱介質，這種添加劑包括一種使晶體結構改變成空心錐體一類空心結構的結構添加劑。關於這種結構添加劑的詳細情況可參閱以上所述有關內容。這種添加劑可將其加入現有的蓄熱介質內，特別是加入石臘基蓄熱介質內以便改進其性能如上所述。此外，在這種添加劑中可加入沸騰體，特別是具有各種不同比重的沸騰體，使其在蓄熱介質內呈懸浮狀態，而在傳熱介質內呈懸浮狀態或下沉。此外，在這種添加劑中還可加入防沫劑和(或)抗氧化劑，有關其單獨使用時的詳細情況可再次參閱以上所述有關內容。
本發明的另一目的是提供一種裝有以上各實施例中所述蓄熱介質的潛熱蓄熱器或潛冷蓄冷器。但，與此同時，最好還採用一種特定的沸騰體或晶核形成物。這是將沸騰體或晶核形成物作為裝在潛熱蓄熱器內的固定的內部構件。具體地說，可用板件，最好用弧形板件來實施這種沸騰體或晶核形成物。適當地設置這些構件可使其部分地伸入傳熱介質區，部分地伸入蓄熱介質區。
最後，本發明的另一目的是在潛熱蓄熱器內的蓄熱介質中採用含有一定油份的石臘如上所述。
以下作為一實例對一裝有以上所述類型蓄熱介質的潛熱蓄熱器參照附圖進行說明，附圖中


圖1所示為一密封的蓄熱器罐和一局部放大圖，示出外殼結構和在蓄熱介質中的沸騰體或晶核形成物;
圖2為圖1所示內容，示有改型的沸騰體或晶核形成物;
圖3為圖1或2所示內容，示有用作沸騰體或晶核形成物的固定的內部構件。
圖1示出了最好用金屬材料如鋁製成的密封蓄熱器罐。在圖示條件下，蓄熱介質2呈凝固狀態。此介質為凝固的石臘。在潛熱蓄熱器1的下部區域內裝有大體上是純的水3，用作傳熱介質，在潛熱蓄熱器1的上部區域4為低壓空氣或真空空間。
放大圖對蓄熱介質2的晶體結構作了圖解。圖中示出空心錐體型結構，此結構造成蓄熱介質2所需的微孔性。
在傳熱介質3中放有沸騰體5，在通過例如伸入傳熱介質3區域內的熱交換器或直接對潛熱蓄熱器1的底部進行加熱而輸入熱量時，水3幾乎整個地同時沸騰起來。同樣，在蓄熱介質2中放有另外的沸騰體5或晶核形成物6。由於其比重的原因，晶核形成物6懸浮在蓄熱介質2內，在蓄熱介質液化時也無例外。
在向潛熱蓄熱器1的下部區域輸入熱量時，水3在某一溫度下開始沸騰，此溫度主要取決於空間4內的真空度，產生的蒸汽進入蓄熱介質2。由於結構添加劑均勻地分布在蓄熱介質2內，處於凝固狀態的蓄熱介質實際上為多孔性的，以致蒸汽可幾乎瞬時地大面積地從中穿行，蓄熱介質2以相應的突發性產生相變而液化。因此，蒸汽迅即通向上部區域4，在此區域內由於熱量的散失會產生冷凝。水汽聚集成水滴流回到潛熱蓄熱器1的下部區域。如從潛熱蓄熱器的上部區域取出的熱量大於向其下部區域加入的熱量，潛熱蓄熱器即放熱而在低於某一溫度時產生另一相變(從液體成為固體)，這樣，圖示條件就重新建立起來。
圖2主要在簡圖中示出了沸騰體或晶核形成物6′及其杆狀或觸角狀延伸體7。確切地說，這些延伸體整個地可以略重於晶核形成物6′，這裡晶核形成物按圖示呈球體形。沸騰體整個地說確實重於蓄熱介質2，但輕於傳熱介質3，以致沸騰體或晶核形成物會利用其浮力浮在傳熱介質3的上面。這樣，很明顯，只要晶核形成物6′是由例如不同的材料構成的，也就可使其某些部分，如延伸體7也用重於傳熱介質3的材料製作。
在圖2中還示出了裝在潛熱蓄熱器1中的其他沸騰體5或晶核形成物6，其形狀如圖1所示。
從潛熱蓄熱器1的快速反應來看，延伸體7起有很重要的作用。沿延伸體7，特別是當其具有很好的導熱性時，很快地就會形成熔化的蓄熱介質2的通路，通過此通路傳熱介質可流進蓄熱介質2的其他區域內。
在圖3所示實施例中，只要固定的內部構件8伸入傳熱介質3和蓄熱介質2中，至少也能產生類似的作用，此固定的內部構件是通過例如支承構件9固定在蓄熱器罐上的。
如圖所示，固定的內部構件8最好具有弧形表面。可以設想還可採用很多其他類型的弧面。
上述說明書以及附圖和權利要求書中所公開的本發明特點無論是從各個分開的或彼此結合的角度來看對實施本發明都具有重要意義。所有這些公開的特徵都是本發明的特徵。
權利要求
1.一種用於潛熱蓄熱器(潛冷蓄冷器)(1)的石臘一類蓄熱介質(2)，此介質是在形成晶體結構的情況下凝因的，其特徵是採用一種結構添加劑改變其晶體結構，最好將其改變成如空心錐體一類空心結構。
2.如權利要求1所述蓄熱介質，其特徵是此結構添加劑在此蓄熱介質(2)內均勻的溶解。
3.如以上任一權利要求所述蓄熱介質，其特徵是此結構添加劑屬於聚烷基異丁烯酸酯類或聚烷基丙烯酸酯類。
4.如以上任一權利要求所述蓄熱介質，其特徵是此結構添加劑以0.01-1的重量百分比加入此蓄熱介質(2)內。
5.如以上任一權利要求所述蓄熱介質，其特徵是此蓄熱介質(2)含有一種油份(未裂化的)。
6.如以上任一權利要求所述蓄熱介質，其特徵是此油份的含量為0.1-10個重量百分比。
7.如以上任一權利要求所述蓄熱介質，其特徵是此蓄熱介質(2)含有窄餾分的鏈烷烴。
8.如以上任一權利要求所述蓄熱介質，其特徵是最好採用偶數正碳鏈(正烷烴)。
9.如以上任一權利要求所述蓄熱介質，其中加有沸騰體(5)或晶核形成物(6)，其特徵是此沸騰體(5)或晶核形成物(6)的比重應使其至少懸浮在該蓄熱介質(2)中。
10.如以上任一權利要求所述蓄熱介質，其特徵是此加入的沸騰體(5)或晶核形成物(6)具有不同的比重。
11.如以上任一權利要求所述蓄熱介質，其特徵是此沸騰體(5)或晶核形成物(6)的加入比例為1-10個重量百分比。
12.如以上任一權利要求所述蓄熱介質，其特徵是此沸騰體(5)或晶核形成物(6)為玻璃體、泡沫玻璃體、塑料體或類似物體。
13.如以上任一權利要求所述蓄熱介質，其特徵是此沸騰體(5)或晶核形成物(6)的比重應使其部分地懸浮在傳熱介質(3)中，部分地懸浮在蓄熱介質(2)中。
14.如以上任一權利要求所述蓄熱介質，其特徵是此沸騰體(5)或晶核形成物(6)具有杆狀延伸體(7)。
15.如以上任一權利要求所述蓄熱介質，其特徵是僅此杆狀延伸體(7)從此蓄熱介質(2)伸入傳熱介質(3)中。
16.如以上任一權利要求所述蓄熱介質，其特徵是加有一種防沫劑，加入比例最好為0.01-5個重量百分比。
17.如以上任一權利要求所述蓄熱介質，其特徵是此防沫劑是由以矽氧烷、聚烷氧基化物、脂肪酸烷氧基物化物或羧酸酯為基的材料構成的。
18.如以上任一權利要求所述蓄熱介質，其特徵是加有一種抗氧化劑，加入比例最好為0.001-0.1個重量百分比。
19.一種用於潛熱蓄熱器(潛冷蓄冷器)內石臘一類(通過形成晶體結構而固化的)蓄熱介質的添加劑，其特徵是此添加劑包括一種使蓄熱介質(2)的晶體結構最好改變成空心錐體一類空心結構的結構添加劑。
20.如權利要求19所述添加劑，其特徵是此結構添加劑屬於聚烷基丙烯酸酯類或聚烷基異丁烯酸酯類。
21.如以上任一權利要求所述添加劑，其特徵是加有沸騰體(5)或晶核形成物(6)，其比重應使其至少懸浮在蓄熱介質(2)中。
22.如以上任一權利要求所述添加劑，其特徵是加有不同比重的沸騰體(5)或晶核形成物(6)。
23.如以上任一權利要求所述添加劑，其特徵是該沸騰體(5)或晶核形成物(6)為玻璃體、泡沫玻璃體、塑料體或類似物體。
24.如以上任一權利要求所述添加劑，其特徵是加有一種防沫劑。
25.如以上任一權利要求所述添加劑，其特徵是此防沫劑是由以矽氧烷、聚烷氧基化物、脂肪醇的烷氧基化物或羧酸酯為基的材料構成的。
26.如以上任一權利要求所述添加劑，其特徵是加有一種抗氧化劑。
27.一種裝有如權利要求1-18中任一權利要求所述蓄熱介質的潛熱蓄熱器(或潛冷蓄冷器)。
28.如以上任一權利要求所述潛熱蓄熱器，其特徵是此沸騰體或晶核形成物為一些裝在蓄熱器罐內的固定的內部構件(8)。
29.如以上任一權利要求所述潛熱蓄熱器，其特徵是此固定的內部構件具有弧形表面。
30.石臘一類介質的應用，用作潛熱蓄熱器內蓄熱介質，石臘在形成晶體結構的情況下凝固並含有一種油份。
31.如權利要求30所述使用，其特徵是此油份的用量為0.1-10個重量百分比。
全文摘要
本發明涉及一種用於潛熱蓄熱器(潛冷蓄冷器)的石蠟一類蓄熱介質，此石蠟在形成晶體結構的情況下凝固。為改善介質對輸入熱量的反應性，本發明提出用一種結構添加劑使介質的晶體結構改變成空心錐體一類的空心結構。
文檔編號F28D20/02GK1089295SQ93121678
公開日1994年7月13日 申請日期1993年12月2日 優先權日1992年12月2日
發明者恭特·黑德布蘭德, 麥可·馬特哈, 諾柏特·莫扎特, 羅夫·勞迪, 克勞斯·菲白克, 沃爾夫岡·阿蘭, 託馬斯·克拉默 申請人:St蓄熱技術有限公司