一种可控相变材料包及其制备方法与应用与流程

本发明涉及相变蓄热材料技术领域，尤其涉及一种可控相变材料包及其制备方法与应用。

背景技术：

我国三分之二国土面积每年接收的太阳能辐射总量超过5000j/m²，年日照时数大于2000h，具有很大的太阳能使用潜力。然而由于太阳能具有间歇性、昼夜周期性和季节性的缺点，使其利用受到了一定的限制。蓄能技术由于能够解决热能的供给与需求在时间和空间上的不匹配问题，而成为合理利用能源、减轻环境污染的有效途径。

传统的热能存储是使用水罐的显热储存，也是目前应用最广的一种蓄热方式，然而这种方式的蓄热密度小，吸热与放热过程中温度变化较大，可控性差。相比之下，应用相变潜热蓄热的储热密度是显热储热的5～10倍甚至更高，同时相变蓄热材料还具有相对恒定的相变温度、稳定的蓄热器储放热温度和易控制等特点，使之成为近年来的研究热点。

相变蓄能技术利用相变材料(phasechangematerials，pcms)在固-固、固-液相变过程中进行的吸/放热来储存和释放能量，进而调和供能与耗能在时间和空间上不协调的关系，实现能源节约与综合梯度利用。相变材料可分为有机类相变材料(石蜡、脂肪酸等)、无机类相变材料(水合盐类、金属类)和复合相变类材料。无机相变材料由于蓄热密度大，价格低廉，来源广且相变温度适中等特点而被广泛应用于太阳能、工业、农业、建筑业等领域。三水醋酸钠(ch3coona·3h2o)是一种典型的无机水合盐相变储热材料，熔点58℃，具有较高熔化热(265kj/kg)、导热性能好、无毒、价格便宜和来源广等优点，使之成为中低温相变储热材料中很有潜力的储热材料。

然而，以水合盐作为相变储能材料在应用过程中存在关键的共性问题，即过冷和相分离。过冷与相分离的存在会导致相变材料由晶相转变为液态后所储存的热量无法释放，蓄热系统的储热量下降。目前大多数研究工作者对相变材料的研究集中在改善相变材料的相分离和过冷度状况，主要是加入增稠剂和成核剂。

cn108219753a的中国发明专利提出一种自发热袋的制备方法和应用，这种自发热袋主要由相变材料和金属片构成，处于过冷状态的相变材料不会自发结晶，需要用手掰动金属片释放金属缝隙中的晶种触发成核，是一种可控的成核方式。然而这种方式需用手掰动金属片，因此相变材料只能封装在较小的能触摸到里面金属片的软性塑料袋中进行小范围释热，只适用于局部理疗与保健领域，而对于太阳能等大系统大面积热量的存储与释放较难实现，应用具有局限性。因此提供一种简单易操作、可适用于太阳能等热量的可控存储与释放的方法，具有非常重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服以上现有技术的缺陷与不足，提供一种可控相变材料包及其制备方法与应用。

本发明通过以下技术方案实现。

一种可控相变材料包的制备方法，包括以下步骤：

(1)金属板或棒经过表面处理形成具有粗糙表面的金属板或棒，然后在粗糙金属板或棒表面嵌入诱导相变材料成核的粉末晶种，再将携带粉末晶种的金属板或棒置于醋酸钠溶液中，所述醋酸钠溶液置于水浴中保温，得到可控触发金属电极；

(2)将相变材料三水醋酸钠晶体、水和增稠剂混合，水浴加热搅拌至完全溶解，得到过饱和相变蓄热溶液，将溶液倒入不锈钢金属球中，并插入步骤(1)得到的所述可控触发金属电极和导电电极后进行封装，最后将金属球置于水浴中保温得到所述可控相变材料包。

进一步的，所述步骤(1)中，表面处理为砂纸打磨或刀具划口，且所述砂纸选用80-1200目。如先用80目砂纸打磨金属表面，嵌入粉末晶种，再用320目砂纸打磨，嵌入粉末晶种，再用1200目砂纸打磨光滑。刀口划痕所用工具为刀具，划痕口处嵌入粉末晶种。

进一步的，所述步骤(1)中的粉末晶种是三水醋酸钠晶体研磨而成的粉末晶种。

进一步的，所述步骤(2)中，三水醋酸钠晶体的质量分数为73.5～91％，水的质量分数为8.5～24.5％，增稠剂的质量分数为0.5-2％。

进一步的，所述步骤(2)的水浴加热温度为70～80℃，水浴保温温度为70～80℃，保温时间1～2h。

进一步的，所述步骤(1)中，金属电极表面涂覆粉末晶种后浸泡于醋酸钠溶液中，并将所述醋酸钠溶液置于70～80℃的恒温水浴中，保温1～2h，从而去除电极表面多余晶种。

进一步的，所述可控触发金属电极的材料为银或铜；所述增稠剂为羧甲基纤维素或聚丙烯酸钠，所述导电电极是石墨电极。

对于上述所述制备方法得到的可控相变材料包，在可控触发电极之间施加电压触发过饱和相变蓄热溶液相变释热，所述电压为0.5～1.8v。

上述可控相变材料包可实现相变材料的可控放热、吸热，可应用于太阳能、热泵、热水器或锅炉余热回收等民用生活中，并可广泛应用于其他低品位余热回收及跨季节热量存储等领域。

本发明所述可控相变材料包的工作原理是：在高温条件下，高浓度的过饱和相变储热溶液在温度降低到较低温时不会自发结晶，仍以液态的形式存在，热量以潜热的方式储存起来。当经处理的电极间施加微小电压时即可实现相变过程的可控发生，施加的电压范围在0.5～1.8v之间。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本发明利用无机相变材料固有的过冷缺点，实现室温过冷溶液储存的热量可控释放。

(2)本发明制备方法简单可控易操作，制备工艺简单、生产周期短、成本低；相变材料包中通过施加微小电压(0.5～1.8v)即可实现相变材料储存的热量可控释放；

(3)本发明可作为蓄/放热单元应用于太阳能热泵热水系统中，起到节能减排的作用；

(4)本发明所用材料无毒、无腐蚀、无污染。

附图说明

图1是本发明制备的可控相变材料包的相变储热装置示意图；

图2是实施例2中采用刀具划痕处理得到的金属电极边缘形状示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

可控相变材料包的制备，包括以下步骤：

(1)取三水醋酸钠晶体置于研钵中研磨成粉末待用；取银丝电极，用80目砂纸打磨表面，将研磨好的粉末涂覆于表面；再用320目砂纸打磨表面，表面涂覆粉末；再次用1200目砂纸打磨表面，再涂覆一层三水醋酸钠粉末，将携带粉末晶种的电极置于醋酸钠溶液中75℃水浴保温2h得到可控触发金属电极1；

(2)按质量分数计，称取三水醋酸钠晶体82.2％，水16.8％，羧甲基纤维素1％装入烧杯中，在75℃水浴温度中搅拌至全部溶解，得到过饱和的相变储热溶液。将制备好的溶液趁热倒入不锈钢球2中，再将步骤(1)制备的金属电极和石墨棒电极3插入过饱和相变储热溶液中，密封，于75℃水浴保温2h得到所述可控相变材料包，如图1所示。

本实施例制备所得的可控相变材料包冷却至室温后，阳极金属银电极，阴极石墨棒电极之间施加1v电压即可在5s内触发相变材料结晶释热。20ml室温晶体在75℃水浴中再次储热完全变成溶液仅需12min左右，循环周期短，循环性能好，衰减慢。

实施例2

可控相变材料包的制备，包括以下步骤：

(1)取三水醋酸钠晶体置于研钵中研磨成粉末待用；取铜丝电极，用小刀在电极末端划出划痕，将研磨好的粉末涂覆于铜丝棒末端划痕，再将金属电极置于醋酸钠溶液中70℃水浴保温1h得到可控触发金属电极，如图2所示；

(2)按计量分数计，称取三水醋酸钠91％，水8.5％，羧甲基纤维素0.5％，在80℃水浴温度中搅拌至全部溶解，得到过饱和的相变储热溶液。将制备好的溶液趁热倒入不锈钢球中，再将上述预处理的电极和石墨棒电极插入过饱和相变储热溶液中，密封，于70℃水浴保温2h得到所述可控相变材料包。

本实施例制备所得的可控相变材料包冷却至室温后，阳极金属铜电极，阴极石墨棒电极之间施加1.8v电压即可在5s内触发相变材料结晶释热。20ml室温晶体在75℃水浴中再次储热完全变成溶液仅需12min左右，循环周期短，循环性能好。

实施例3

可控相变材料包的制备，包括以下步骤：

(1)取三水醋酸钠晶体置于研钵中研磨成粉末待用；取银丝电极，用小刀在电极末端划出划痕，将研磨好的粉末涂覆于银丝棒末端划痕，再将银丝电极置于醋酸钠溶液于75℃水浴中保温2h得到可控触发金属电极；

(2)按计量分数计，称取三水醋酸钠73.5％，水24.5％，聚丙烯酸钠2％，在70℃水浴温度中搅拌至全部溶解，得到过饱和的相变储热溶液。将制备好的溶液趁热倒入不锈钢球中，再将上述预处理的电极和石墨棒电极插入过饱和相变储热溶液中，密封，于75℃水浴中保温2h得到所述可控相变材料包。

本实施例制备所得的可控相变材料包冷却至室温后，阳极金属银电极，阴极石墨棒电极之间施加0.5v微小电压即可在5s内触发相变材料结晶释热。20ml室温晶体于75℃水浴中再次蓄热完全变成溶液仅需12min左右，循环周期短，循环性能好，衰减慢。

实施例4

可控相变材料包的制备，包括以下步骤：

(1)取三水醋酸钠晶体置于研钵中研磨成粉末待用；取银板电极，用80目砂纸打磨表面，后将研磨好的粉末涂覆于表面；再用320目砂纸打磨表面，表面涂覆粉末；再次用1200目砂纸打磨表面，再涂覆一层三水醋酸钠粉末，将携带粉末晶种的电极置于醋酸钠溶液中于80℃水浴中保温1h得到可控触发金属电极；

(2)按计量分数计，称取三水醋酸钠73.5％，水24.5％，羧甲基纤维素2％，在80℃水浴温度中搅拌至全部溶解，得到过饱和的相变储热溶液。再将上述预制备的银板电极和石墨棒电极插入过饱和相变储热溶液中，密封，于80℃水浴温度中保温1h得到所述可控相变材料包。

本实施例制备所得的可控相变材料包冷却至室温后，阳极金属银板电极，阴极石墨棒电极之间通过0.8v电压即可在5s内触发相变材料结晶释热。20ml室温晶体于75℃水浴中再次蓄热完全变成溶液仅需12min左右。可循环使用，衰减慢，循环性好。

实施例5

可控相变材料包的制备，包括以下步骤：

(1)取三水醋酸钠晶体置于研钵中研磨成粉末待用；取铜板电极，用刀具在铜板电极上划出划痕，并在划痕上涂覆研磨好的晶体粉末，再将电极置于醋酸钠溶液于70℃水浴中保温2h得到可控触发金属电极；

按计量分数计，称取三水醋酸钠82.2％，水16.8％，聚丙烯酸钠1％，在75℃水浴温度中搅拌至全部溶解，得到过饱和的相变储热溶液。再将上述预制备的铜板电极和石墨棒电极插入过饱和相变储热溶液中，密封，于70℃水浴温度中保温2h得到所述可控相变材料包。

本实施例制备所得的可控相变材料包冷却至室温后，阳极金属铜板电极，阴极石墨棒电极之间通过1.6v电压即可在5s内触发相变材料结晶释热。20ml室温晶体于70℃水浴中再次蓄热完全变成溶液仅需12min左右。可循环使用，循环性能好。

实施例6

可控相变材料包的制备，包括以下步骤：

(1)取三水醋酸钠晶体置于研钵中研磨成粉末待用；取银板电极，用刀具在银板电极上划出划痕，并在划痕上涂覆研磨好的晶体粉末，再将电极置于醋酸钠溶液中于80℃水浴中保温1h得到可控触发金属电极；

按计量分数计，称取三水醋酸钠91％，水8.5％，聚丙烯酸钠0.5％，在70℃水浴温度中搅拌至全部溶解，得到过饱和的相变储热溶液。再将上述预制备的银板电极和石墨棒电极插入过饱和相变储热溶液中，密封，置于80℃水浴温度中保温1h得到所述可控相变材料包。

实施例制备所得的可控相变材料包冷却至室温后，阳极金属银板电极，阴极石墨棒电极之间通过1.2v电压即可在5s内触发相变材料结晶释热。20ml室温晶体于75℃水浴中再次蓄热完全变成溶液仅需12min左右。循环周期短，循环性能好，衰减慢。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。