CN110564373A - 无机水合盐复合相变储热材料及制备使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及供暖的技术领域，尤其是一种无机水合盐复合相变储热材料及制备使用方法，无机水合盐复合相变储热材料，由以下重量组份组成：Mg(NO3)2·6H2O 80～95份，调温剂5～20份，成核剂0.1～2份，增稠剂1～10份，膨胀石墨1～3份。本发明的一种无机水合盐复合相变储热材料及其制备方法，使用Mg(NO3)2·6H2O作为基体材料，不使用MgCl2·6H2O作为调温剂，利用添加成核剂及增稠剂来解决无机水合盐的过冷及分层问题。
Description
技术领域
本发明涉及供暖的技术领域，尤其是一种无机水合盐复合相变储热材料及制备使用方法。
背景技术
在冬季供暖领域中，无论公共及民用建筑，包含住宅、别墅、学校、旅馆、办公写字楼、展馆、商业综合体、旅游地产、农业大棚等，普遍利用电锅炉进行供暖，对于全天24小时供暖，电锅炉运行用电存在峰谷电价差，高峰用电的运行成本较高。
PCM（相变储能材料）利用低谷电价时段运行电锅炉并储存多余的热量，并于峰电及平电时段将热能释放出来，因而降低整体运行成本。
PCM的相变原理即物质从一种相转变为另一种相的过程，如固相到液相的转化，液相到物相的转化。相变潜热是衡量一种物质热力学性能优劣的一个重要标尺。材料在相变过程中，吸收/释放大量的热，且在相变过程中温度恒定。PCM普遍分为固–液相变材料、液–气相变材料、固–固相变材料几种，并区分有机材料及无机材料两大类。
无机水合盐具有几项优点：（1）价格低廉，容易取得；（2）密度较大，节省空间；（3）导热性比起有机材料普遍高出许多。但也存在几项缺点：（1）过冷度大；（2）容易产生相分离；（3）部分材料存在腐蚀问题等。
基于一般供暖所使有的相变材料最佳相变温度为60～80℃。本发明使用Mg(NO3)2·6H2O（六水硝酸镁）为基底材料，相变温度约为89℃，但此材料相变温度较供暖用最佳相变温度高，因此一般使用MgCl2·6H2O（六水氯化镁）作为此材料的调温剂，使材料相变温度调和为78℃，但MgCl2·6H2O（六水氯化镁）中的氯离子对于金属外材存在点蚀问题，这也提高了模块外材的成本及安全隐患问题。Mg(NO3)2·6H2O（六水硝酸镁）作为无机水合盐存在过冷度大及分层等问题。过冷度大的问题对于整体供暖***会因无法凝固而导致储存的热量无法放出的问题；分层问题则会影响材料寿命及性能降低而导致使用性降低的问题，因此需要相应的解决措施来应对无机水合盐这两大明显的缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决上述背景技术中存在的问题，提供一种无机水合盐复合相变储热材料及其制备方法，能解决材料腐蚀性强、成本较高等技术问题，相变温度与电锅炉提供温度匹配，能够用于低谷电价时段热能储存。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无机水合盐复合相变储热材料，由以下重量组份组成：
Mg(NO3)2·6H2O 80～95份，
调温剂 5～20份，
成核剂 0.1～2份，
增稠剂 1～10份，
膨胀石墨 1～3份。
进一步具体地说，上述技术方案中，所述的调温剂采用的是Mg(CH3COO)2·4H2O和H2O中的一种或两种的结合。
进一步具体地说，上述技术方案中，所述的成核剂采用的是CaO、MgO、BaO、Mg(OH)2和Sr(OH)2中的一种或两种以上的结合。
进一步具体地说，上述技术方案中，所述的增稠剂采用的是钠基膨润土和纳米级亲水性二氧化硅中的一种或两种的结合。
一种无机水合盐复合相变储热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将指定份的Mg(NO3)2·6H2O、调温剂和成核剂倒入混合容器中搅拌均匀；
步骤二：将混合后的材料利用热源加热至90～95℃，使其完全融化；
步骤三：将指定份的增稠剂一边搅拌一边缓慢加入融化的混合液体中，使其完全混合并使材料成半凝胶状；
步骤四：将指定份的膨胀石墨加入半凝胶混合溶液中，并搅拌均匀；
步骤五：待所有材料完全混合后，移开热源使其自然冷却，即可以得到无机水合盐复合相变储热材料。
一种无机水合盐复合相变储热材料的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：根据制备方法制得无机水合盐复合相变储热材料；
步骤二：根据工艺要求将金属模块外材进行清洗；
步骤三：将无机水合盐复合相变储热材料加热至90～95℃，使其完全融化；
步骤四：将融化后的液态无机水合盐复合相变储热材料倒入模块金属外材中；
步骤五：将模块密封等待无机水合盐复合相变储热材料自然冷却凝固即可。
本发明的有益效果是：本发明的一种无机水合盐复合相变储热材料及其制备方法，使用Mg(NO3)2·6H2O（六水硝酸镁）作为基体材料，不使用MgCl2·6H2O（六水氯化镁）作为调温剂，利用添加成核剂及增稠剂来解决无机水合盐的过冷及分层问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1是原始工业级Mg(NO3)2·6H2O（六水硝酸镁）的DSC曲线；
图2为实施例1中（配比A）基体相变储热材料的DSC曲线；
图3为实施例1中（配比A）基体相变储热材料的步冷曲线。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种无机水合盐复合相变储热材料，由以下重量组份组成：
Mg(NO3)2·6H2O（六水硝酸镁） 80～95份，
调温剂 5～20份，
成核剂 0.1～2份，
增稠剂 1～10份，
膨胀石墨 1～3份。
下述实施例所采用的基底材料为Mg(NO3)2·6H2O（六水硝酸镁），工业级，相变温度约为90℃，相变潜热约为149.5 kJ/kg。
调温剂采用的是Mg(CH3COO)2·4H2O（四水醋酸镁）和H2O（去离子水）中的一种或两种的结合，分析纯。
成核剂采用的是CaO（氧化钙）、MgO（氧化镁）、BaO（氧化钡）、Mg(OH)2（氢氧化镁）和Sr(OH)2（氢氧化锶）中的一种或两种以上的结合，工业级。
增稠剂采用的是钠基膨润土和纳米级亲水性二氧化硅中的一种或两种的结合，工业级。
膨胀石墨，工业级。
该无机水合盐复合相变储热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将指定份的Mg(NO3)2·6H2O（六水硝酸镁）、调温剂和成核剂倒入混合容器中搅拌均匀；
步骤二：将混合后的材料利用热源加热至90～95℃，使其完全融化；
步骤三：将指定份的增稠剂一边搅拌一边缓慢加入融化的混合液体中，使其完全混合并使材料成半凝胶状；
步骤四：将指定份的膨胀石墨加入半凝胶混合溶液中，并搅拌均匀；
步骤五：待所有材料完全混合后，移开热源使其自然冷却，即可以得到无机水合盐复合相变储热材料。
该无机水合盐复合相变储热材料的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：根据制备方法制得无机水合盐复合相变储热材料；
步骤二：根据工艺要求将金属模块外材进行清洗；
步骤三：将无机水合盐复合相变储热材料加热至90～95℃，使其完全融化；
步骤四：将融化后的液态无机水合盐复合相变储热材料倒入模块金属外材中；
步骤五：将模块密封等待无机水合盐复合相变储热材料自然冷却凝固即可。
实施例1
将Mg(NO3)2·6H2O（六水硝酸镁）以90份倒入聚四氟乙烯烧杯中，再将Mg(CH3COO)2·4H2O（四水醋酸镁）以10份倒入聚四氟乙烯烧杯中并搅拌均匀，搅拌均匀后放入加热制冷循环水浴槽中以90℃加热1h并同时搅拌，待材料完全溶解成液态并均匀混合后，将烧杯由加热制冷循环水浴槽取出，并放在室温自然冷却成固态，即得基体相变储热材料。相变材料相变温度为79.6℃；相变潜热为141.7kJ/kg，固体密度为 1.57g/cm3，比热容为2.07kJ/(kg·K)。
实施例2
将Mg(NO3)2·6H2O（六水硝酸镁）以80份倒入聚四氟乙烯烧杯中，再将Mg(CH3COO)2·4H2O（四水醋酸镁）以20份倒入聚四氟乙烯烧杯中并搅拌均匀，搅拌均匀后放入加热制冷循环水浴槽中以90℃加热1h并同时搅拌，待材料完全溶解成液态并均匀混合后，将烧杯由加热制冷循环水浴槽取出，并放在室温自然冷却成固态，即得基体相变储热材料。相变材料相变温度为70.2℃；相变潜热为124.7kJ/kg，固体密度为 1.56g/cm3，比热容为 2.00kJ/(kg·K)。
实施3
同实施例1中的操作方式，将调配原料改为Mg(NO3)2·6H2O（六水硝酸镁）95份，及H2O（去离子水）5份。相变材料相变温度为87.3℃；相变潜热为142.2 kJ/kg,固体密度为1.55g/cm3。
实施例4
同实施例1中的操作方式，将调配原料改为Mg(NO3)2·6H2O（六水硝酸镁）88份，及H2O（去离子水）12份。相变材料相变温度为72.7℃；相变潜热为123.4 kJ/kg,固体密度为1.54g/cm3。
实施例5
以实施例1的基体相变储热材料为基底，在加热融化前分别加入CaO（氧化钙）0.1份，并搅拌均匀，随后进行实施例1中同样的加热过程，得到的复合相变储热材料相比基体相变储热材料过冷度降低50%。
实施例6
以实施例1的基体相变储热材料为基底，在加热融化前分别加入CaO（氧化钙）和MgO（氧化镁）0.5份，并搅拌均匀，随后进行实施例1中同样的加热过程，得到的复合相变储热材料相比基体相变储热材料过冷度降低65%。
实施例7
以实施例1的基体相变储热材料为基底，在加热融化前分别加入CaO（氧化钙）、MgO（氧化镁）和BaO（氧化钡）1份，并搅拌均匀，随后进行实施例1中同样的加热过程，得到的复合相变储热材料相比基体相变储热材料过冷度降低70%。
实施例8
以实施例1的基体相变储热材料为基底，在加热融化前分别加入CaO（氧化钙）、MgO（氧化镁）、BaO（氧化钡）和Mg(OH)2（氢氧化镁）1.5份，并搅拌均匀，随后进行实施例1中同样的加热过程，得到的复合相变储热材料相比基体相变储热材料过冷度降低85%。
实施例9
以实施例1的基体相变储热材料为基底，在加热融化前分别加入CaO（氧化钙）、MgO（氧化镁）、BaO（氧化钡）、Mg(OH)2（氢氧化镁）和Sr(OH)2（氢氧化锶）2份，并搅拌均匀，随后进行实施例1中同样的加热过程，得到的复合相变储热材料相比基体相变储热材料过冷度降低99%。
实施例10
以实施例5的基体相变储热材料为基底，在加热过后溶液成液态时一边搅拌一边缓慢加入钠基膨润土3份，使液体材料变为半凝胶状，以此达到增稠效果并解决材料分层的问题。
实施例11
以实施例5的基体相变储热材料为基底，在加热过后溶液成液态时一边搅拌一边缓慢加入钠基膨润土10份，使液体材料变为半凝胶状，以此达到增稠效果并解决材料分层的问题。
实施例12
以实施例5的基体相变储热材料为基底，在加热过后溶液成液态时一边搅拌一边缓慢加入纳米级亲水性二氧化硅 1份，使液体材料变为半凝胶状，以此达到增稠效果并解决材料分层的问题。
实施例13
以实施例5的基体相变储热材料为基底，在加热过后溶液成液态时一边搅拌一边缓慢加入纳米级亲水性二氧化硅3份，使液体材料变为半凝胶状，以此达到增稠效果并解决材料分层的问题。
实施例14
以实施例5的基体相变储热材料为基底，在材料加热呈半凝胶状时，加入膨胀石墨 1份，膨胀石墨对于整个材料体系而言，不仅可以作为防止分层的原料，且能够使材料导热系数增加为原本的1.5倍。
实施例15
以实施例5的基体相变储热材料为基底，在材料加热呈半凝胶状时，加入膨胀石墨 3份，膨胀石墨对于整个材料体系而言，不仅可以作为防止分层的原料，且能够使材料导热系数增加为原本的3倍。
本发明所使用的调温剂有效的替换了原有MgCl2·6H2O（六水氯化镁）在体系中所达到的作用，解决了MgCl2·6H2O（六水氯化镁）中氯离子对于金属外材点蚀的问题，成功提供了设备整体的寿命及安全性；Mg(CH3COO)2·4H2O（四水醋酸镁）、H2O（去离子水）作为调温剂成功的将Mg(NO3)2·6H2O相变温度调整为适用于供暖所使用的相变材料，并利用多种不同的氧化物及氢氧化物作为成核剂解决水合盐所存在的过冷问题，使用膨润土及纳米级二氧化硅作为增稠剂解决水合盐所存在的分层问题，且运用膨胀石墨减少材料分层及增加导热性能。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种无机水合盐复合相变储热材料，其特征在于，由以下重量组份组成：
Mg(NO3)2·6H2O 80～95份，
调温剂 5～20份，
成核剂 0.1～2份，
增稠剂 1～10份，
膨胀石墨 1～3份。
2.根据权利要求1所述的一种无机水合盐复合相变储热材料，其特征在于：所述的调温剂采用的是Mg(CH3COO)2·4H2O和H2O中的一种或两种的结合。
3.根据权利要求1所述的一种无机水合盐复合相变储热材料，其特征在于：所述的成核剂采用的是CaO、MgO、BaO、Mg(OH)2和Sr(OH)2中的一种或两种以上的结合。
4.根据权利要求1所述的一种无机水合盐复合相变储热材料，其特征在于：所述的增稠剂采用的是钠基膨润土和纳米级亲水性二氧化硅中的一种或两种的结合。
5.一种无机水合盐复合相变储热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将指定份的Mg(NO3)2·6H2O、调温剂和成核剂倒入混合容器中搅拌均匀；
步骤二：将混合后的材料利用热源加热至90～95℃，使其完全融化；
步骤三：将指定份的增稠剂一边搅拌一边缓慢加入融化的混合液体中，使其完全混合并使材料成半凝胶状；
步骤四：将指定份的膨胀石墨加入半凝胶混合溶液中，并搅拌均匀；
步骤五：待所有材料完全混合后，移开热源使其自然冷却，即可以得到无机水合盐复合相变储热材料。
6.一种无机水合盐复合相变储热材料的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据制备方法制得无机水合盐复合相变储热材料；
步骤二：根据工艺要求将金属模块外材进行清洗；
步骤三：将无机水合盐复合相变储热材料加热至90～95℃，使其完全融化；
步骤四：将融化后的液态无机水合盐复合相变储热材料倒入模块金属外材中；
步骤五：将模块密封等待无机水合盐复合相变储热材料自然冷却凝固即可。
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