黄志林-节能减排说明书

1 新型夹层式节能相变石膏板及制备工艺说明书 设计者 黄志林 王丽琼 魏红姗 赵方圆 郑欣 指导教师 朱建平 河南理工大学材料科学与工程学院 河南 焦作 454000 作品内容简介 相变储能材料是在一定温度范围内 利用材料本身相变或结构的变化 根据自身独特潜 热性能 当环境温度升高或降低的时 它可以向环境释放多余的热量储存起来或释放储存的 热量起到保温作用的一种热功能复合材料 1 2 将相变材料添加到石膏板中可以制得新型相 变储能石膏板 相变储能建筑石膏板兼备普通石膏板和相变材料两者的特点 能够吸收和释 放适量的热能 对温度起到 削峰填谷 的作用 减少空调的使用时间 减少 CO2的排放量 具有明显的节能减排作用 膨胀珍珠岩是由火山玻璃质熔岩经高温焙烧瞬时膨胀而成的一种白色多孔颗粒状物质 其可以作为制备定形相变材料的骨架载体 膨胀石墨是一种常用的高导热型填料 掺入 10 膨胀石墨后 复合相变材料的热响应速度明显提高 即固 液相变进程得到明显提升 同时 也在一定程度上提高了夹层相变储能石膏板的蓄热速率 增强了其热交换速度 本设计采用膨胀珍珠岩吸附相变材料 制成复合相变储能颗粒 掺入膨胀石墨 填入石 膏板层中 采用夹层式结构 底层为石膏层 顶层为导热增强石膏层 中间层采用圆柱体 空腔设计 填入复合相变储能颗粒 制成一面强导热 一面低导热 中间具有高潜热储热性 能的复合层式石膏板 采用夹层式结构设计 主要具有如下几个优点 1 夹层式结构设计比简单层式设计而言 具有较高的表面强度 因此更符合建筑石膏板 的强度要求 2 夹层式设计集中了复合相变储能材料 掺入导热石墨后具有较好的导热储热性能 因 此具有较好的调温控温效果 我们发明的新型复合相变储能石膏板与现有的相变储能石膏板相比 主要有以下三方面 的创新 1 配制出了相变焓为 137 9kJ kg 的相变材芯 相变石膏板调温效果明显 可降低能耗 30 2 用 10 膨胀石墨做外加剂 提高了相变石膏板调温速率 3 用导热增强短纤维复合石膏做顶层 既提高了导热速率 又增强了石膏板的表面强度 联系人 黄志林 联系电话EMALL 845445624 1 作品背景及意义作品背景及意义 世界范围内对于相变储能建筑材料的研究最早是从上世纪三十年代开始的 研究时间较 早 而我国则是在八十年代才开始研究 研究时间相对较短 目前 国内外利用膨胀珍珠岩 抽真空吸附相材料来制备复合相变储能材料的试验做了许多研究工作 但在与建筑材料的复 合上 大多使用的浸渗法 直接混合法 多孔基体材料吸附法 微胶囊法 3 5 但较少采用 夹层法 本实验采用的新型夹层式结构设计兼有夹层法能集中相变材料储热密度高的优点 2 能更有效的进行储热换热过程 热交换效率大大提高 又在其基础上增强了石膏板的强度 具有较大的市场优势 2 制备流程图和详细制备过程制备流程图和详细制备过程 2 1 制备流程图制备流程图 2 2 详细制备过程详细制备过程 1 制备复合相变储能材料制备复合相变储能材料 DSC 测试后 选择以癸酸 棕榈酸为 85 15 的比例复配形成的脂肪酸低共熔物为相变芯 材 并按照相变材料与膨胀珍珠岩质量比为 65 35 制备复合相变材料 具体制备步骤为 首 先将膨胀珍珠岩置于 500 马弗炉内烘烤 2h 以去除其表面的水分和有机杂质 预处理 配 置一定浓度的憎水溶液 对膨胀珍珠岩进行憎水处理 并烘干 其次称取 65 份固态相变材 料放置于烧杯内 将烧杯置于 60 的恒温水浴锅内使其完全融化成液态 加入 35 份处理后 的膨胀珍珠岩颗粒 搅拌均匀 然后再将烧杯置于真空度为 0 05MPa 温度为 40 的真空干 燥箱中吸附 4h 取出 自然冷却至室温 即得膨胀珍珠岩 复配脂肪酸复合相变材料 CA PA EP 2 与膨胀石墨混合 与膨胀石墨混合 将膨胀石墨按不同的比例与制作好的复合相变材料在常温下搅拌均匀 充分混合 复合相变储能 材料 复合相变储能 石膏板 500 煅烧一小时 去除表 面的可燃性杂质以及少量水 分 预处理 膨胀珍珠岩 DSC 选取合适比例的癸酸 棕榈酸复配低共熔 合金 配制 相变芯材 底层及中间有 空腔的石膏基 相变复合颗粒 石墨混合物 掺有碳纤维的 石膏浆体 与合适比例膨胀石墨混合 3 3 制作相变石膏板 制作相变石膏板 将适量的石膏浆浇入模具中 制出带有圆柱体空腔的半干石膏体 再将混合好的复合相 变材料按不同的比例加入 覆盖掺有碳纤维的石膏浆体 刮平 等待成型 制备成可以调节 环境温度的相变储能石膏板 并测试制备的石膏板调节环境温度的能力和石膏板的物理性能 确定出复合相变材料的最佳掺加比例 4 产品照片产品照片 图 1 掺膨胀石墨的复合相变颗粒 图 2 自制定位辅助纸板与复合相变储能石膏板图片 3 技术关键技术关键 3 1 癸酸癸酸 棕榈酸棕榈酸 膨胀珍珠岩复合相变储能颗粒与膨胀石墨的混合比例膨胀珍珠岩复合相变储能颗粒与膨胀石墨的混合比例 将掺有不同比例的膨胀石墨复合材料填入石膏板 进行温控测试 实验发现 掺加 10 的膨胀石墨 一定程度上可以提高夹层相变储能石膏板的蓄热速率 增强其热交换速度 3 2 掺入顶层石膏的碳纤维的比例掺入顶层石膏的碳纤维的比例 石膏中掺入碳纤维会提高强度 但同时也会降低石膏的黏度 所以掺入的碳纤维要有一 个合适的比例 使其增加强度的同时尽量不降低黏度 3 3 中间相变层的结构设计中间相变层的结构设计 本设计根据两种材料采用不同结构复合后的格里菲斯强度比较 选用的是夹层式结构 相变材料相间填入由石膏板构成的圆柱体空腔中 具体结构示意图如下 层式设计结构示意图 中间层结构示意图 由于石膏凝结速度较快 所以在调制成浆体时需要加入适量缓凝剂 使得前后加入的石 膏浆凝结速率趋于一致 在添加中间层的相变材料时 为了精确的按照设计加入相变复合材料 我们制作了定位 顶层增强石膏层 中间相变材料层 底层普通石膏层 复合相变材料材 料 石膏基 4 辅助纸板 来精确加料到中间石膏层的圆柱体空腔中 从而制作出符合设计要求的复合相变 储能石膏板 4 实验数据处理与说明实验数据处理与说明 4 1 复合相变芯材扫描电镜分析复合相变芯材扫描电镜分析 下图 3 为膨胀珍珠岩基体和复合相变材料 CA PA EP 的 SEM 照片 从 a 可以看 出膨胀珍珠岩内部呈蜂窝状多孔结构 大部分孔径在几微米至几十微米之间 从 b 可以 看出 吸附过脂肪酸相变材料后 膨胀珍珠岩的凹坑内被相变材料所填充 两者有效复合形 成了定型相变材料 a 膨胀珍珠岩 SEM 照片 b CA PA EP 图 3 膨胀珍珠岩和 CA PA EP 的 SEM 照片 图 a 显示膨胀珍珠岩内部存在大量的孔结构 可以作为相变材料的吸附载体使用 图 b 显示相变颗粒均匀的吸附于珍珠岩的孔径之中 4 2 癸酸癸酸 棕榈酸复配比例及复合相变芯材与膨胀珍珠岩配比的确定棕榈酸复配比例及复合相变芯材与膨胀珍珠岩配比的确定 0102030405060 1 4 1 2 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 temperture C DSC mw mg Hm 88 39J g Onset 24 7 C End 34 0 C 图 4 相变芯材 DSC 曲线 图 5 吸附有相变芯材的膨胀珍珠岩 DSC 曲线 图 4 表明 自制相变芯材复配比为 85 15 时的相变温度符合人体舒适温度要求 相变焓 为 137 9J g 蓄热能力较强 抽真空吸附实验证明复配脂肪酸和膨胀珍珠岩的比例为 65 35 时 吸附量达到饱和 按 照如下公式计算复配脂肪酸 膨胀珍珠岩复合相变储能颗粒的相变焓值 5 Q 复合 Q 基 65 100 其中 Q 复合 吸附饱和复合相变储能颗粒的相变潜热值 Q 基 复配脂肪酸低共熔 合金 的相变潜热值 将 Q 基为 137 9J g 代入公式得 理论复合相变储能颗粒的相变潜热为 89 64J g 与实 测值 88 39 J g 相符合 4 3 膨胀石墨对层式相变石膏板传热性能的影响膨胀石墨对层式相变石膏板传热性能的影响 a 板内表面温度 b 装置内部温度 图 6 膨胀石墨对夹层相变石膏板传热性能的影响 上图 6 曲线为测试的膨胀石墨对夹层相变石膏板传热性能的影响 其中在复合相变材料 夹层掺入占复合相变材料质量比 10 的膨胀石墨 可知 掺入膨胀石墨后 夹层相变板的传 热性能有所提高 升温结束时 掺膨胀石墨的相变夹层板内表面温度和装置内部温度分别为 43 4 和 38 相比于不掺时的情况 要分别高出 3 和 1 1 究其原因是 膨胀石墨属于 高导热型材料 掺加后 可以提高复合相变材料的热响应速度 使其发生固 液相变的时间 变短 因而在相同时间条件下 穿过夹层相变石膏板达到其内表面的热量也会相应的的增大 其结果是 夹层板的内表面以及装置内部温度均有所增大 由此说明 掺入一定的膨胀石墨 能够在一定程度上改善夹层相变石膏板的热响应能力 使其吸 放热循环过程加速进行 4 4 复合相变材料掺量对石膏板抗压强度的影响复合相变材料掺量对石膏板抗压强度的影响 表 1 不同相变材料掺加量的石膏强度 随着相变材料掺量的增加 石膏板的强度会逐渐稍微下降 30 掺量时强度就下降 12 4 为了满足建筑材料基本的力学性能要求 同时达到蓄热储能的目的 相变蓄热复合材料的添 加量要有一个合适的比例 4 5 自制温控模型测试数据分析与节能效率自制温控模型测试数据分析与节能效率 相变材料掺加量 3d 绝干抗折强度 MPa 3d 绝干抗压强度 MPa 03 094 55 102 784 69 202 084 41 301 584 09 401 343 78 6 下图 7 为实验室自制的相变储能石膏板传热性能测试装置 利用图示装置可以测试石膏 板的传热性能 测试步骤为 开启热源 使热量以对流换热的形式传递至石膏板一侧 然后 热量再以导热的形式传递至测试箱内 测试箱的内部空间大小为 30 30 30cm3 其是由一 面石膏板和 5 面 EPS 保温板密闭形成的正方体空间结构 测试箱内部空间中心位置以及石膏 板内表面 远离热源的面 安放有温度传感器 以此来记录整个测试过程中的升降温温度曲 线 图 7 自制相变石膏板控温测试模型 图 8 a 空白板与石膏板的内表面温度对比 图 8 b 空白板与石膏板的装置空间温度对比 利用自制控温测试装置测出掺入相变材料的石膏板对封闭空间和石膏板内表面的温度 的影响 与普通石膏板相比 当封闭空间温度高时 相变石膏板吸收热量 使温度降低 其 中空间内最多可使温度降低 2 70C 而石膏板内表面温度可以降低 4 00C 当封闭空间温度 低时 相变石膏板可使空间内温度升高 其中最多可升高 1 80C 而石膏板内表面的温度可 以升高 2 60C 说明本发明的新型节能相变石膏板可以很好地控制环境温度 使环境温度保 持在较低的变化范围内 减少空调的使用时间 达到节能减排的目的 7 为控制变量 我们选择厚度为 50mm 石膏板 相变层 10mm 和 15mm 进行热力学性能测试 增加相变夹层的厚度有利于提高夹层相变石膏板的隔热性能 增加相变储能石膏板的蓄热能 力和热惰性 通过研究对比复合相变材料体积掺量为 30 的直掺法相变储能石膏板与夹层相 变储能石膏板 发现采用改进的夹层法时 相变储能石膏板的隔热效果更佳 图 9 matlab 拟合的空间内部温度曲线函数 分析装有不同石膏板的空间的温度变化曲线 去掉加热开始的数据不稳定的部分 把 0 70h 至 4 83h 时间段的曲线用数学软件 matlab 进行拟合 结果如图 11 由于空间吸收的 热量是指某一个时间段吸收的热量 在加热 0 7h 时装有空白石膏板和 PCM 石膏板的空间温 度均为 240C 按下列公式进行计算 1 cdxxcQ 13 32 24 f 83 4 70 0 0 2 cdxxgxcQ 31 9 f 83 4 70 0 28 98 3 100 Q Q 其中 为空间内热容 c 为装有空白石膏板的密闭空间内变化的热量 0 Q 为装有 PCM 石膏板的密闭空间比少变化的热量 Q 0 Q 为 PCM 石膏节能的效率 5 特色及创新之处特色及创新之处 1 配制出了高相变焓的相变材芯 相变石膏板调温效果明显 可降低能耗约 30 2 新型夹层式结构设计使得石膏板的表面强度大大增强 更符合建筑石膏板的强度要求 3 用掺 10 的导热石墨与之混合 提高了相变石膏板调温速率 也具有填充珍珠岩颗粒空 隙的作用 4 用具有导热增强效果的碳短纤维复合入石膏 既提高了导热速率 又增强了石膏板的表 面强度 6 推广应用前景分析推广应用前景分析 8 节能减排是深入贯彻落实科学发展观 构建社会主义和谐社会的重大举措 本发明的新 型夹层式结构复合相变储能石膏板可以明显的控制室内温度 将能量以相变潜热的形式进行 贮存 实现能量在不同时空位置之间的转换 6 实验结果表明 与普通石膏板相比 在人体 舒适温度范围内 夹层相变石膏板隔热性能更佳 保温效果更好 作为内墙衬板使用时 在 相同外界热环境下 传入室内的热量要更少一些 能够有效降低室内环境温度的波动幅度 改善室内热舒适度 使用本发明的新型节能相变石膏板可以减少空调的使用时间 减少 CO2 的排放量 具有明显的节能减排作用 产品市场应用前景广阔 主要参考文献主要参考文献 1 LinKunping ZhangYinping DIHongfa etal Modelingand simulationo funder door electric heating system with shape s