CN108251074B - 一种89度相变储能材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及储能材料的技术领域，具体涉及一种89度相变储能材料及其制备方法与应用。该材料由以下重量份的组分组成：六水合硝酸镁100份、石墨0.5～5份、增稠剂0.5～10份、缓蚀剂0.1～2份、表面活性剂0.1～2份、着色剂0.1～1份。该相变储能材料能解决材料容易在导热管表面凝结、腐蚀性强、导热性差、易渗漏危险的问题。该材料相变温度与供热网工作温度匹配，能应用于热电联产***中的相变储能换热器。
Description
技术领域
本发明涉及储能材料的技术领域，更具体地说，涉及一种89度相变储能材料及其制备方法与应用。
背景技术
能源是人类生存和发展的基础，其中电能和热能更是人类社会广泛利用的能源形式之一。目前，热电联产***对外能够既输出电能又输出热能，可以同时保障城乡生活和生产中用电用热的需求。但是，由于用热和用电高峰常常错开，因此当热电联产***的热量产出大于实时热量需求时，就需要进行储能以减少能源的浪费。储能技术的发展离不开高效储能材料的开发，储能材料可以分为两大类。第一类是化学蓄热材料，利用反应或者溶解热来储存热量，虽然储热密度比较大，但储热容量有限，且污染环境。第二类是物理储能材料，分为显热式和相变式。其中相变式是在材料相变过程中吸收或放出热量，从而实现热量的储存与释放，这种材料就被称为相变储能材料PCM(phase change materials)。
相变储能材料具有如下特性：温度升高达到相变温度时，相变储能材料的物理状态发生变化，而相变储能材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，这一过程中，大量相变热被吸收或释放出来。从而，在相变阶段，产生了一个比较宽的温度平台，这个平台的出现，使得我们能够获得一个相对稳定的恒温时间。相变储能的储能密度高，而且热量主要分布在相变温度附近，因此实际利用比较容易。相变储能材料拥有繁多的数量和种类。一般而言，根据相变储能材料相变温度的不同，可以将相变储能材料分为低温相变储能材料(15-90℃)、中温相变储能材料(90-550℃)和高温相变储能材料(＞550℃)；根据化学组成的不同，相变储能材料可以被分为有机和无机相变储能材料。
具体而言，无机熔融盐作为无机相变储能材料，其显著的优点为：①由于无机盐是离子结晶体，无论为固态还是液态，其导热性均良好，当转化为液态时，由于大量自由离子的存在，导热性更好(物质的导热与导电原理类似，均需依靠晶格的振动及电子的运动来实现)；②种类繁多、分布广泛、价格低廉易得；③由于部分水分子与金属离子间较强的极化作用在熔化过程中被破坏了，需要吸收较大热量，相变潜热大。无机熔融盐相变储能材料由于其相变过程中相变潜热较大、相变温度恒定，能储存大量的热量，同时能实现控温，一直受到研究者的关注。
近几年来，人们开发出了多种无机熔融盐相变储能材料，并运用于诸多领域如热电联产***中进行储能。具体地，现有的热电联产***中的相变储能装置包括一储能箱，储能箱内放置相变储能材料，并且热管从入口处延伸通入储能箱，并且在储能箱内盘旋布置，再从出口处从储能箱引出。热管内流动导热介质。例如，来自热电联产***的高温导热介质沿着热管从入口处流入储能箱，与储能箱内的相变储能材料发生热交换，释放热量，然后从出口处流出。
但是，现有使用的无机熔融盐相变储能材料仍然具有以下缺陷：一是无机相变储能材料过冷度大、易产生相分离；二是相变储能材料容易在导热管表面凝结，影响从热管到储能箱的热传导；三是相变储能材料对导热管道腐蚀性强，且需要加入含有氯离子的成核剂，容易腐蚀作为热管的不锈钢材质；另外，相变储能材料还存在容易渗漏、相变温度与供热所需的理想温度有一定温差的问题，而这些问题都亟待解决和改进。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明目的在于提供一种89度相变储能材料及其制备方法与应用。该相变储能材料能解决材料容易在导热管表面凝结、腐蚀性强、导热性差、易渗漏危险的技术问题。该相变储能材料相变温度与供热网工作温度匹配，能应用于热电联产***中的相变储能换热器。
为实现本发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种89度相变储能材料，所述材料由以下重量份的组分组成：六水合硝酸镁100份、石墨0.5～5份、增稠剂0.5～10份、缓蚀剂0.1～2份、表面活性剂0.1～2份、着色剂0.1～1份。
优选地，所述增稠剂为羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、魔芋葡甘聚糖中的至少一种。
优选地，所述缓蚀剂为牛脂胺、十六烷胺、十八烷胺中的至少一种。
优选地，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、胆酸钠、十六烷基三甲基溴化铵中的至少一种。
优选地，所述着色剂为苋菜红、胭脂红、赤藓红、新红、柠檬黄、日落黄、靛蓝、亮蓝中的至少一种。
进一步，优选地，所述石墨的重量份为1～2.5份。
进一步，优选地，所述增稠剂的重量份为2～5份。
进一步，优选地，所述缓蚀剂的重量份为0.5～1份。
进一步，优选地，所述表面活性剂的重量份为0.5～1份。
进一步，优选地，所述着色剂的重量份为0.5份。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述材料中缓蚀剂和表面活性剂的重量比为1∶1。
本发明还提供一种89度相变储能材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将六水合硝酸镁粉碎处理后放入不锈钢密封容器，置于KDM型控温电热套中加热至90～95℃，然后边搅拌边加入缓蚀剂，至完全熔融成熔融液；
(2)在熔融液中加入表面活性剂，超声分散处理30～40min，得到分散液；
(3)在分散液中加入石墨、增稠剂和着色剂，混合搅拌均匀后冷却，即得相变储能材料。
进一步，本发明还提供一种89度相变储能材料的使用方法，包括以下步骤：
(1)根据上述方法制备得到所述89度相变储能材料，备用；
(2)用金属表面处理剂处理不锈钢导管内壁，除去导管内壁上的污垢，所述金属表面处理剂为丙酮或者乙醇；
(3)导管置于热源中保持在90～95℃的温度条件下，将所述89度相变储能材料加热至熔融状态，趁热注入导管内，密封后撤除热源，冷却即可。
进一步，本发明还提供所述89度相变储能材料的应用，具体地，所述89度相变储能材料应用于热电联产***中的相变储能换热器。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的89度相变储能材料选用六水和硝酸镁作为基体相变材料，其相变温度在89℃附近，处于热电联产***应用环境的温度变化区间之内，特别适合应用在相变储能换热器，相变温度与供热网工作温度匹配；通过加入石墨，可以不用加入腐蚀性强的含氯成核剂，增加材料导热性的同时且保持原有的相变储热性能。
(2)牛脂胺、十六烷胺和十八烷胺等被称为“膜胺”的胺类，属于吸附膜型缓蚀剂。作为有机缓蚀剂，它们具有极性亲水基的氨基基团，可以吸附于金属表面上，形成一层致密的憎水膜，保护金属表面不受水腐蚀。加入表面活性剂则可以进一步帮助缓蚀剂形成良好的缓蚀憎水膜。
(3)由于缓蚀剂在不锈钢管表面形成保护膜，进而抑制了相变储能材料在不锈钢管表面凝结的现象，提高了管道内外热量的传导能力，冷热循环稳定性好，便于长期大规模使用。
(4)由于表面活性剂充当了分散剂到加入到材料，可使材料中的石墨表面易于润湿，从而使石墨容易分散到介质中，进一步提高了材料的导热能力。
(5)加入着色剂对相变储能材料进行着色，便于材料渗漏时能够及时发现，提高了材料使用时的安全性。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合实施实例对本发明做进一步阐述，但实施例不构成对本发明保护范围的限制。
以下实施例、对比例中，采用市场上常见的304不锈钢测试材料的腐蚀性，制作50mm×20mm×2的不锈钢片状试样，经丙酮和酒精清洗，称重后埋入熔融盐内，在马弗炉中500±1℃保持10天，取出用丙酮清洗，除去腐蚀产物后称量腐蚀后的质量，采用岛津SHIMADZU电子天平进行称重。
以下实施例、对比例中，采用ZDR-21型双通道温度记录仪测量材料的过冷度。
以下实施例、对比例中，采用DRL-II型热流法导热仪测量材料的导热系数。
以下实施例、对比例中，采用HCT-4型微机差热天平测量材料的相变温度和潜热，升温速率为10℃/min，温度范围25～600℃。
实施例1
称取100重量份的六水合硝酸镁，经粉碎处理后放入不锈钢密封容器，置于KDM型控温电热套中加热至92℃，然后边搅拌边加入0.1重量份的十六烷胺，至完全熔融成熔融液，在熔融液中加入0.1重量份的十二烷基苯磺酸钠，超声分散处理30min，得到分散液；在分散液中依次加入0.5重量份的石墨、1重量份的羧甲基纤维素钠和0.5重量份的胭脂红，充分混合搅拌均匀后冷却，即得相变储能材料。
实施例2
称取100重量份的六水合硝酸镁，经粉碎处理后放入不锈钢密封容器，置于KDM型控温电热套中加热至93℃，然后边搅拌边加入0.5重量份的十六烷胺，至完全熔融成熔融液，在熔融液中加入0.5重量份的十二烷基苯磺酸钠，超声分散处理35min，得到分散液；在分散液中依次加入1重量份的石墨、2重量份的羧甲基纤维素钠和0.5重量份的柠檬黄，充分混合搅拌均匀后冷却，即得相变储能材料。
实施例3
称取100重量份的六水合硝酸镁，经粉碎处理后放入不锈钢密封容器，置于KDM型控温电热套中加热至93℃，然后边搅拌边加入1重量份的十六烷胺，至完全熔融成熔融液，在熔融液中加入1重量份的十二烷基苯磺酸钠，超声分散处理35min，得到分散液；在分散液中依次加入2.5重量份的石墨、5重量份的羧甲基纤维素钠和0.5重量份的柠檬黄，充分混合搅拌均匀后冷却，即得相变储能材料。
实施例4
称取100重量份的六水合硝酸镁，经粉碎处理后放入不锈钢密封容器，置于KDM型控温电热套中加热至92℃，然后边搅拌边加入2重量份的十六烷胺，至完全熔融成熔融液，在熔融液中加入2重量份的十二烷基苯磺酸钠，超声分散处理40min，得到分散液；在分散液中依次加入5重量份的石墨、10重量份的羧甲基纤维素钠和0.5重量份的日落黄，充分混合搅拌均匀后冷却，即得相变储能材料。
实施例5
称取100重量份的六水合硝酸镁，经粉碎处理后放入不锈钢密封容器，置于KDM型控温电热套中加热至93℃，然后边搅拌边加入1重量份的牛脂胺，至完全熔融成熔融液，在熔融液中加入1重量份的胆酸钠，超声分散处理35min，得到分散液；在分散液中依次加入2.5重量份的石墨、5重量份的羧甲基纤维素和0.5重量份的苋菜红，充分混合搅拌均匀后冷却，即得相变储能材料。
实施例6
称取100重量份的六水合硝酸镁，经粉碎处理后放入不锈钢密封容器，置于KDM型控温电热套中加热至92℃，然后边搅拌边加入1重量份的十六烷胺，至完全熔融成熔融液，在熔融液中加入0.5重量份的十二烷基苯磺酸钠，超声分散处理35min，得到分散液；在分散液中依次加入2.5重量份的石墨、5重量份的羧甲基纤维素钠和0.5重量份的靛蓝，充分混合搅拌均匀后冷却，即得相变储能材料。
比较例1
称取100重量份的六水合硝酸镁，经粉碎处理后放入不锈钢密封容器，置于KDM型控温电热套中加热至93℃，至完全熔融成熔融液，在熔融液中依次加入2.5重量份的石墨、5重量份的羧甲基纤维素钠和0.5重量份的赤藓红，充分混合搅拌均匀后冷却，即得相变储能材料。
比较例2
称取100重量份的六水合硝酸镁，经粉碎处理后放入不锈钢密封容器，置于KDM型控温电热套中加热至93℃，然后边搅拌边加入1重量份的十六烷胺，至完全熔融成熔融液；在熔融液中依次加入2.5重量份的石墨、5重量份的羧甲基纤维素钠和0.5重量份的柠檬黄，充分混合搅拌均匀后冷却，即得相变储能材料。
实施例1-6和对比例1-2的测试结果见下表：
*室温下冷却，观察降温初期容器壁上材料的凝结情况，其中大量显著凝结标为2，部分少量凝结标为1，无凝结标为0。
从表中的测试结果可以看出，与对比例1相比，由于加入缓蚀剂和表面活性剂，实施例1-6中材料的腐蚀速率显著下降，材料的耐腐蚀能力得到了提高，材料在不锈钢壁上不易凝结，且材料的导热性和过冷度也得到了改善；与对比例2仅单独添加缓蚀剂相比，实施例1-6中的缓蚀剂和表面活性剂配合作用，能够取得更好的耐腐蚀和表面抗凝结效果；从实施例2和3的测试结果中可以看出，采用特定比例和用量的缓蚀剂和表面活性剂从而产生了协同增强效应，材料的耐腐蚀能力和于不锈钢壁上不易凝结的性能得到了极大提高，取得了预料不到的技术效果。
需要指出的是，本研究领域的相关技术人员应当意识到在不脱离本发明给出的技术特征和范围的情况下，对技术特征所作的增加、替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种89度相变储能材料的应用，其特征在于，所述89度相变储能材料应用于热电联产***中的相变储能换热器；所述89度相变储能材料由以下重量份的组分制成：六水合硝酸镁100份、石墨1～2.5份、羧甲基纤维素钠2～5份、十六烷胺0.5～1份、十二烷基苯磺酸钠0.5～1份、着色剂0.1～1份；十六烷胺和十二烷基苯磺酸钠的重量比为1:1；
所述的89度相变储能材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将六水合硝酸镁粉碎处理后放入不锈钢密封容器，置于KDM型控温电热套中加热至90～95℃，然后边搅拌边加入十六烷胺，至完全熔融成熔融液；(2)在熔融液中加入十二烷基苯磺酸钠，超声分散处理30～40min，得到分散液；(3)在分散液中加入石墨、羧甲基纤维素钠和着色剂，混合搅拌均匀后冷却，即得相变储能材料；
所述89度相变储能材料的使用方法，包括以下步骤：(1)将制备得到的89度相变储能材料，备用；(2)用金属表面处理剂处理不锈钢导管内壁，除去导管内壁上的污垢，所述金属表面处理剂为丙酮或者乙醇；(3)导管置于热源中保持在90～95℃的温度条件下，将所述89度相变储能材料加热至熔融状态，趁热注入导管内，密封后撤除热源，冷却即可。
2.根据权利要求1所述的89度相变储能材料的应用，其特征在于，所述着色剂为苋菜红、胭脂红、赤藓红、新红、柠檬黄、日落黄、靛蓝、亮蓝中的至少一种。
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