专利名称：用于太阳能空调的浸泡式蓄热材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及蓄热材料，特别是涉及一种用于太阳能空调的浸泡式蓄热材料的制备方法。
背景技术：
蓄热系统一直是太阳能热利用中的重要技术。用于太阳能热利用的蓄热材料应满足如下要求储热材料应有高的能量密度；储热材料与热交换液体应有良好的热传导；储热材料应有良好的化学和力学稳定性；储热材料与热交换器及热交换液体之间有良好的化学相容性；在储热及放热循环过程中应完全可逆；低成本。目前用作太阳能热利用中的蓄热材料显热和潜热材料，潜热材料主要用熔盐 (KNO3, NaNO3或两者的混合物)。但熔盐存在着一个非常明显的缺陷是其较强的腐蚀性，对热交换管道及其它附属设施具有非常强的腐蚀行为，由此增加了系统的运行成本，亦降低了系统安全稳定性能。显热材料如混凝土、铁矿石等储热材料由于具有性能稳定、成本低、 储热能力强等诸多优点，是用于太阳能热利用的理想候选储热材料之一。文献1 (Kakiuchi ； Hiroyuki ； Oka; Masahiro1US patent (No. 5567346))报道了日本学者的美国专利，其中以硫酸钠、氯化铵、溴化钠以及硫酸铵为主要原料组成的蓄热材料。文献2 (Ross; Randy, US patent (No. 5685151))的专利则报道了用于太阳能热利用蓄热材料，主要的成分是氯化钠。文献3(Kadir TunpbilekiAhmet Sari, Sefa Tarhan et al· Laurie and palmitic acids eutectic mixture as latent heat storage material for low temperature heating applications Energy，2005，30(5):677-692)、文献 4 (Ahmet Sar. Eutectic mixtures of some fatty acids for latent heat storage: Thermal properties and thermal reliability with respect to thermal cycling, Energy Conversion and Management, 2006，47 (9-10) : 1207-1221)禾口文献 5 (Atul Sharma，Lee Dong Won, D Buddhi and Jun Un Park. Numerical heat transfer studies of the fatty acids for different heat exchanger materials on the performance of a latent heat storage system Renewable Energy，2005，30 (14) : 2179-2187)报道了低温度下，在建筑房屋使用的脂肪酸类相变蓄热材料。文献 6 (Zhengguo Zhang and Xiaoming Fang. Study on paraffin/expanded graphite composite phase change thermal energy storage material. Energy Conversion and Management，2006，47 (3) : 303-310)禾口文献 7(V. Shatikian，G. Ziskind and R. Letan. Numerical investigation of a PCM—based heat sink with internal fins . International Journal of Heat and Mass Transfer，2005，48 (17):3689-3706) 则报道了以石蜡和膨胀石墨组成的相变蓄热材料。由以上文献中报道的蓄热材料可知，其要么是成本太高，对系统的安全性有重要的影响，要么只能在低温度下使用。太阳能空调用的蓄热材料，必须要在低成本的前提下， 考虑其使用的综合性能。太阳能空调是利用太阳能来驱动空调进行制冷或制热，但是到目前为止，还未见太阳能空调大规模的工业化，主要的原因就是蓄热技术的缺失，即太阳能空调只能在有太阳能的条件下使用，遇到阴雨天或晚上时则无法利用太阳能量，只能依靠电加热或其他的加热方式来辅助补充热量，这样造成其生产成本过高，在有些地区没有电时只无法使用，极大限制其大规模推广使用。图1是太阳能空调工作的原理，白天有太阳光时，通过集热器来集热，开动油泵，使导热油加热，推动太阳能空调工作，多余的能量储存在蓄热器中，晚上则利用导热油从蓄热器中取热，推动太阳能空调工作。从公开的报道看，还未见有太阳能空调用蓄热材料及蓄热装置的制备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为克服现有技术的不足，提供一种用于太阳能空调的浸泡式蓄热材料的制备方法，该方法从蓄热材料的选择着手，对材料的级配和比例进行优化设计，从而能够低成本地生产出一种具有优异综合性能的新型太阳能空调用蓄热材料。本发明解决其技术问题采用以下的技术方案
本发明提供的用于太阳能空调的浸泡式蓄热材料的制备方法，其步骤包括
(1)配料:
所用原料组成的重量比和粒度为废钢球25 50%，直径10 30mm ；钢渣或铜渣骨料20 ；35%，粒度5 10 mm ；重晶石15 40%，粒度5 20 mm ；玄武岩15 30%，粒度 10 20 mm ；
(2)制备
先将上述原料清洗干净后，再进行干燥，干燥时间为4飞小时，温度为105 12(TC，然后按上述比例混合均勻，混料的时间为5 20分钟，即得到所述浸泡式蓄热材料。所述原料组成的重量比优选为废钢球50%，钢渣或铜渣骨料20%，重晶石15%， 玄武岩15%。所述原料组成的重量比优选为废钢球25%，钢渣或铜渣骨料35%，重晶石15%， 玄武岩25%。上述铜渣骨料可以采用工业铜废渣。上述重晶石和玄武岩分别可以由铁矿石、铅锌矿替换。本发明制备的太阳能空调的浸泡式蓄热材料，其技术参数可以为密度2.96g/ cm3,抗压强度彡30 MPa,压碎强度彡8MPa,体积热容145kWh/m3，热导率1. 75ff/mK,使用的耐热温度为-2(T40(TC。本发明采用浸泡式的方法，与现有技术相比具有以下的主要的优点 其一.可降低成本。采用废钢球、玄武岩、钢渣或铜渣等工业废渣或重质天然矿石(如玄武岩、重晶石、 铁矿石、铅锌矿等)作为蓄热材料，这些材料目前的价格的综合成本在每吨400元。而如果采用相变水合盐，其平均的价格在每吨2000元以上，更为重要是盐具有腐蚀性，对容器材料不能采用普通的碳钢；而只能采用不锈钢材料，其成本增加4倍以上。
其二.可提高蓄热性能。从原料的性质上看，废钢球、玄武岩、钢渣或铜渣的导热系数在1. 5ff/(mK)以上， 而相变水合盐的导热系数只有0. 5 W/(mK)左右，相变水合盐的换热效率太低，而要改性的又会极大增加成本。从结构上看，如果采用管道式换热，不仅会增加成本，而由于热阻大，传热的效率差，造成蓄热设备体积要增加，而蓄热装置采用浸泡式，让导热油和蓄热材料直接进行热交换，可以极大地提高换热速度和效率，使蓄热装置的蓄热性能得到明显提高。总之，本发明既可以解决工业废渣的环境污染，大幅度地降低材料成本，又可以使蓄热器的换热效率极大提高。
图1是目前太阳能空调工作原理示意图。图2是使用本发明提供的浸泡式蓄热材料的太阳能空调装置的结构示意图。图中1.进口管；2.进口控制阀；3.钢质腔体；4.保温材料；5.蓄热材料； 6.过滤网；7.出口控制阀；8.出口管。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。实施例1
蓄热材料组成的重量比和粒度为废钢球25%，直径10 30mm;钢渣或铜渣骨料 ；35%，粒度5 10 mm ；重晶石15%，粒度5 20 mm ；玄武岩25%，粒度10 20 mm。原料的总质量为3800Kg。原料经洗净干燥，干燥时间为4飞小时，温度为105 120°C，干混均勻后， 放置于钢制蓄热装置中，材料的压碎强度> 8MPa，综合热分析仪上测得体积热容145kWh/ m3，蓄热材料的堆积密度为2. 6g/cm3。太阳能空调的功率为观勝，运行时间为4小时，工作温度为180-250°C，蓄热器的半径为0.7 m，高为1.細，保温材料为硅酸铝纤维，底/顶面厚度800mm，侧壁厚度600mm，换热介质为导热油(昆仑牌L-QC 320)，太阳能空调启动后， 在1个小时内可以完成充热过程，在无太阳光照射的条件下，利用蓄热材料的热量，仍可使空调正常工作4小时。实施例2
蓄热材料组成的重量比和粒度为废钢球35%，直径10 30mm;钢渣或铜渣骨料 25%，粒度5 10 mm ；重晶石25%，粒度5 20 mm ；玄武岩15%，粒度10 20 mm。原料的总质量为^OOKg。原料经洗净干燥后，干燥时间为4 6小时，温度为105 120°C，干混均勻后，放置于钢制蓄热装置中，材料的压碎强度>8MPa，综合热分析仪上测得体积热容 135kWh/m3，蓄热材料的堆积密度为2. 7g/cm3。太阳能空调的功率为20KW，运行时间为4小时，工作温度为180-250°C，蓄热器的半径为0. 6 m,高为1. Im,保温材料为硅酸铝纤维，底/ 顶面厚度600mm，侧壁厚度400mm，换热介质为导热油(昆仑牌L-QC 320)，太阳能空调启动后，在1个小时内可以完成充热过程，在无太阳光照射的条件下，利用蓄热材料的热量，仍可使空调正常工作4小时。实施例3
蓄热材料组成的重量比和粒度为废钢球40%，直径10 30mm;钢渣或铜渣骨料20%,粒度5 10 mm ；重晶石25%，粒度5 20 mm ；玄武岩15%，粒度10 20 mm。原料的总质量为2500Kg。原料经洗净干燥后，干燥时间为4 6小时，温度为105 120°C，干混均勻后，放置于钢制蓄热装置中，材料的压碎强度>8MPa，综合热分析仪上测得体积热容 140kWh/m3，蓄热材料的堆积密度为2. 65g/cm3。太阳能空调的功率为15KW，运行时间为4小时，工作温度为180-250°C，蓄热器的半径为0.55 m，高为0.95 m，保温材料为硅酸铝纤维， 底/顶面厚度700mm，侧壁厚度500mm，换热介质为导热油(昆仑牌L-QC 320)，太阳能空调启动后，在1个小时内可以完成充热过程，在无太阳光照射的条件下，利用蓄热材料的热量，仍可使空调正常工作4小时。实施例4
蓄热材料组成的重量比和粒度为废钢球50%，直径10 30mm;钢渣或铜渣骨料 20%，粒度5 10 mm ；重晶石15%，粒度5 20 mm ；玄武岩15%，粒度10 20 mm。原料的总质量为2200Kg。原料经洗净干燥后，干燥时间为4飞小时，温度为105 120°C，干混均勻后，放置于钢制蓄热装置中，材料的压碎强度> 8MPa，综合热分析仪上测得体积热容 135kWh/m3，蓄热材料的堆积密度为2. 75g/cm3。太阳能空调的功率为10KW，运行时间为4小时，工作温度为180-250°C，蓄热器的半径为0.50 m，高为0.85 m，保温材料为硅酸铝纤维， 底/顶面厚度650mm，侧壁厚度400mm，换热介质为导热油(昆仑牌L-QC 320)，太阳能空调启动后，在1个小时内可以完成充热过程，在无太阳光照射的条件下，利用蓄热材料的热量，仍可使空调正常工作4小时。实施例5
蓄热材料组成的重量比和粒度为废钢球45%，直径10 30mm;钢渣或铜渣骨料 20%，粒度5 10 mm ；重晶石25%，粒度5 20 mm ；玄武岩15%，粒度10 20 mm。原料的总质量为2100Kg。原料经洗净干燥后，干燥时间为4飞小时，温度为105 120°C，干混均勻后，放置于钢制蓄热装置中，材料的压碎强度> 8MPa，综合热分析仪上测得体积热容 135kWh/m3，蓄热材料的堆积密度为2. 68g/cm3。太阳能空调的功率为10KW，运行时间为4小时，工作温度为180-250°C，蓄热器的半径为0.55 m，高为0.88 m，保温材料为硅酸铝纤维， 底/顶面厚度660mm，侧壁厚度420mm，换热介质为导热油(昆仑牌L-QC 320)，太阳能空调启动后，在1个小时内可以完成充热过程，在无太阳光照射的条件下，利用蓄热材料的热量，仍可使空调正常工作4小时。实施例6:
蓄热材料组成的重量比和粒度为废钢球40%，直径10 30mm;钢渣或铜渣骨料 25%，粒度5 10 mm ；重晶石25%，粒度5 20 mm ；玄武岩10%，粒度10 20 mm。原料的总质量为2000Kg。原料经洗净干燥后，干燥时间为4 6小时，温度为105 120°C，干混均勻后，放置于钢制蓄热装置中，材料的压碎强度> 8MPa，综合热分析仪上测得体积热容 135kWh/m3，蓄热材料的堆积密度为2. 62g/cm3。太阳能空调的功率为10KW，运行时间为4小时，工作温度为180-250°C，蓄热器的半径为0.50 m，高为0.85 m，保温材料为硅酸铝纤维， 底/顶面厚度630mm，侧壁厚度380mm，换热介质为导热油(昆仑牌L-QC 320)，太阳能空调启动后，在1个小时内可以完成充热过程，在无太阳光照射的条件下，利用蓄热材料的热量，仍可使空调正常工作4小时。实施例7 蓄热材料组成的重量比和粒度为废钢球35%，直径10 30mm;钢渣或铜渣骨料 30%，粒度5 10 mm ；重晶石25%，粒度5 20 mm ；玄武岩10%，粒度10 20 mm。原料的总质量为1800Kg。原料经洗净干燥后，干混均勻后，放置于钢制蓄热装置中，材料的压碎强度> 8MPa，综合热分析仪上测得体积热容135kWh/m3，导热仪测得热导率1. 40W/mK。太阳能空调的功率为8KW，运行时间为4小时，工作温度为180-250°C，蓄热器的半径为0. 45 m, 高为0.65 m，保温材料为硅酸铝纤维，底/顶面厚度550mm，侧壁厚度340mm，换热介质为导热油(昆仑牌L-QC 320)，太阳能空调启动后，在1个小时内可以完成充热过程，在无太阳光照射的条件下，利用蓄热材料的热量，仍可使空调正常工作4小时。实施例8
蓄热材料组成的重量比和粒度为废钢球30%，直径10 30mm ；钢渣或铜渣骨料 25%，粒度5 10 mm ；重晶石30%，粒度5 20 mm ；玄武岩15%，粒度10 20 mm。原料的总质量为1500Kg。原料经洗净干燥后，干燥时间为4飞小时，温度为105 120°C，干混均勻后，放置于钢制蓄热装置中，材料的压碎强度>8MPa，综合热分析仪上测得体积热容 135kWh/m3，蓄热材料的堆积密度为2. 55g/cm3。太阳能空调的功率为5KW，运行时间为4小时，工作温度为180-250°C，蓄热器的半径为0.40 m，高为0.55 m，保温材料为硅酸铝纤维， 底/顶面厚度450mm，侧壁厚度260mm，换热介质为导热油(昆仑牌L-QC 320)，太阳能空调启动后，在1个小时内可以完成充热过程，在无太阳光照射的条件下，利用蓄热材料的热量，仍可使空调正常工作4小时。实施例9
上述实施例1-8制备的浸泡式蓄热材料用于太阳能空调装置，该装置的结构如图1和图2所示。图1是装有本发明制备的蓄热材料5的太阳能空调的工作原理，当有光照时，集热器首先集热，开动油泵后，导热油在管道中循环加热，推动太阳能空调工作，多余的能量储存在蓄热器中，无光照时，则利用导热油从蓄热器中取热，推动太阳能空调工作。图2是蓄热器的结构图。导热油从进口管1进，进口管上装有进口控制阀2，工作时首先导热油通过进口管流进后，通过进口控制阀来调节开关和流量的大小，并通过蓄热材料5将能量储存在起来。导热油经出口管8流出形成换热循环，并在出口管上装有出口控制阀7来调节出口的油量。蓄热器外壳以普通碳钢制备，为防止蓄热材料进入换热油中， 在蓄热器外壳的钢质腔体3的上下方放置过滤网6，为减少散热损耗，以硅酸铝纤维做保温材料4。
权利要求
1.一种用于太阳能空调的浸泡式蓄热材料的制备方法，其特征是采用包括以下步骤的方法(1)配料:所用原料组成的重量比和粒度为废钢球25 50%，直径10 30mm ；钢渣或铜渣骨料20 ；35%，粒度5 10 mm ；重晶石15 40%，粒度5 20 mm ；玄武岩15 30%，粒度 10 20 mm ；(2)制备先将上述原料清洗干净后，再进行干燥，干燥时间为4飞小时，温度为105 12(TC，然后按上述比例混合均勻，混料的时间为5 20分钟，即得到所述浸泡式蓄热材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于原料组成的重量比为废钢球50%，钢渣或铜渣骨料20%，重晶石15%，玄武岩15%。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于原料组成的重量比为废钢球25%，钢渣或铜渣骨料35%，重晶石15%，玄武岩25%。
4.根据权利要求1或2或3所述的制备方法，其特征在于铜渣骨料采用工业铜废渣。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的重晶石和玄武岩分别由铁矿石、铅锌矿替换。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述浸泡式蓄热材料，其技术参数为 密度2. 96g/cm3，抗压强度彡30 MPa，压碎强度彡8MPa，体积热容145kWh/m3，热导率1. 75W/ mK，使用的耐热温度为-2(T40(TC。
全文摘要
本发明涉及用于太阳能空调的浸泡式蓄热材料的制备方法，具体是(1)配料所用原料组成的重量比和粒度为废钢球25～50％，直径10～30mm；钢渣或铜渣骨料20～35％，粒度5～10mm；重晶石15～40％，粒度5～20mm；玄武岩15～30％，粒度10～20mm；(2)制备先将上述原料清洗干净后，再进行干燥，干燥时间为4~6小时，温度为105~120℃，然后按上述比例混合均匀，混料的时间为5~20分钟，即得到所述浸泡式蓄热材料。本发明既可以解决工业废渣的环境污染，大幅度地降低材料成本，又可以使蓄热器的换热效率极大提高。
文档编号C09K5/14GK102250590SQ201110130818
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月20日 优先权日2011年5月20日
发明者周卫兵, 朱教群, 李元元, 程晓敏 申请人:武汉理工大学