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就是在一定温度范围内,利用材料本身相变或结构得变化,根据自身独特潜热性能,当环境温度升高或降低得时,它可以向环境释放多余得热量储存起来或释放储存得热量起到保温作用得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与相变材料两者得特点,能够吸收与释放适量得排放量,具有明显得得热能,对温度起到“削峰填谷”得作用,减少空调得使用时间,减少CO2节能减排作用。
膨胀珍珠岩就是由火山玻璃质熔岩经高温焙烧瞬时膨胀而成得一种白色多孔颗粒状物质,其可以作为制备定形相变材料得骨架载体。
膨胀石墨就是一种常用得高导热型填料。
掺入10%膨胀石墨后,复合相变材料得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得蓄热速率,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得复合层式石膏板。
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,具有较高得表面强度,因此更符合建筑石膏板得强度要求。
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得导热储热性能,因此具有较好得调温控温效果,我们发明得新型复合相变储能石膏板与现有得相变储能石膏板相比,主要有以下三方面得创新:1)配制出了相变焓为137、9kJ/kg得相变材芯,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,又增强了石膏板得表面强度。
联系人:黄志林联系电话: EMALL:1、作品背景及意义世界范围内对于相变储能建筑材料得研究最早就是从上世纪三十年代开始得,研究时间较早,而我国则就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得试验做了许多研究工作,但在与建筑材料得复合上,大多使用得浸渗法,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,本实验采用得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得优点,能更有效得进行储热换热过程,热交换效率大大提高,又在其基础上增强了石膏板得强度,具有较大得市场优势。
2制备流程图与详细制备过程2、1制备流程图2、21）DSC测试后,选择以癸酸:棕榈酸为85:15得比例复配形成得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,以去除其表面得水分与有机杂质。
预处理:配置一定浓度得憎水溶液,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℃得恒温水浴锅内使其完全融化成液态,加入35份处理后得膨胀珍珠岩颗粒,搅拌均匀,然后再将烧杯置于真空度为0、05MPa,温度为40℃得真空干燥箱中吸附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)与膨胀石墨混合将膨胀石墨按不同得比例与制作好得复合相变材料在常温下搅拌均匀,充分混合。
3)制作相变石膏板将适量得石膏浆浇入模具中,制出带有圆柱体空腔得半干石膏体,再将混合好得复合相变材料按不同得比例加入,覆盖掺有碳纤维得石膏浆体,刮平,等待成型,制备成可以调节环境温度得相变储能石膏板,并测试制备得石膏板调节环境温度得能力与石膏板得物理性能,确定出复合相变材料得最佳掺加比例。
4)产品照片图1掺膨胀石墨得复合相变颗粒 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3、1癸酸/棕榈酸/膨胀珍珠岩复合相变储能颗粒与膨胀石墨得混合比例将掺有不同比例得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%得膨胀石墨,一定程度上可以提高夹层相变储能石膏板得蓄热速率,增强其热交换速度。
3、2 掺入顶层石膏得碳纤维得比例石膏中掺入碳纤维会提高强度,但同时也会降低石膏得黏度,所以掺入得碳纤维要有一个合适得比例,使其增加强度得同时尽量不降低黏度。
3、3中间相变层得结构设计本设计根据两种材料采用不同结构复合后得格里菲斯强度比较,选用得就是夹层式结构,相变材料相间填入由石膏板构成得圆柱体空腔中。
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,使得前后加入得石膏浆凝结速率趋于一致。
在添加中间层得相变材料时,为了精确得按照设计加入相变复合材料,我们制作了定位辅助纸板,来精确加料到中间石膏层得圆柱体空腔中,从而制作出符合设计要求得复合相变储能石膏板。
4、 实验数据处理与说明4、1复合相变芯材扫描电镜分析下图3为膨胀珍珠岩基体与复合相变材料(CA-PA/EP)得SEM 照片,从(a)可以瞧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)可以瞧出,吸附过脂肪酸相变材料后,膨胀珍珠岩得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。
顶层增强石膏层 中间相变材料层底层普通石膏层 复合相变材料石膏基(a)膨胀珍珠岩SEM 照片 (b)CA-PA/EP图3膨胀珍珠岩与CA-PA/EP 得SEM 照片图a 显示膨胀珍珠岩内部存在大量得孔结构,可以作为相变材料得吸附载体使用。
图b 显示相变颗粒均匀得吸附于珍珠岩得孔径之中。
4、2癸酸/棕榈酸复配比例及复合相变芯材与膨胀珍珠岩配比得确定 0102030405060-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0temperture/︒CDSC(mw/mg)Hm=88.39J/gOnset=24.7︒C End=34.0︒C图4相变芯材DSC 曲线 图5 吸附有相变芯材得膨胀珍珠岩DSC 曲线图4表明,自制相变芯材复配比为85:15时得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与膨胀珍珠岩得比例为65:35时,吸附量达到饱与。
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得相变焓值:Q 复合=Q 基*65/100其中:Q 复合-吸附饱与复合相变储能颗粒得相变潜热值Q 基-复配脂肪酸低共熔“合金”得相变潜热值将Q 基为137、9J/g 代入公式得,理论复合相变储能颗粒得相变潜热为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得影响(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得影响上图6曲线为测试得膨胀石墨对夹层相变石膏板传热性能得影响。
其中在复合相变材料夹层掺入占复合相变材料质量比10%得膨胀石墨。
可知,掺入膨胀石墨后,夹层相变板得传热性能有所提高。
升温结束时,掺膨胀石墨得相变夹层板内表面温度与装置内部温度分别为43、4℃与38℃。
相比于不掺时得情况,要分别高出3与1、1℃。
究其原因就是,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得热响应速度,使其发生固-液相变得时间变短,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得热量也会相应得得增大,其结果就是,夹层板得内表面以及装置内部温度均有所增大。
由此说明,掺入一定得膨胀石墨能够在一定程度上改善夹层相变石膏板得热响应能力,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得影响表1不同相变材料掺加量得石膏强度随着相变材料掺量得增加,石膏板得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得力学性能要求,同时4、5自制温控模型测试数据分析与节能效率下图7为实验室自制得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得传热性能。
测试步骤为:开启热源,使热量以对流换热得形式传递至石膏板一侧,然后热量再以导热得形式传递至测试箱内,测试箱得内部空间大小为30×30×30cm3,其就是由一面石膏板与5面EPS 保温板密闭形成得正方体空间结构。
测试箱内部空间中心位置以及石膏板内表面(远离热源得面)安放有温度传感器,以此来记录整个测试过程中得升降温温度曲线。
相变材料掺加量(%) 3d 绝干抗折强度(MPa) 3d 绝干抗压强度(MPa)0 3、09 4、55 10 2、78 4、69 20 2、08 4、41 30 1、58 4、09 40 1、34 3、78图7自制相变石膏板控温测试模型图8(a) 空白板与石膏板得内表面温度对比图8(b)空白板与石膏板得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得石膏板对封闭空间与石膏板内表面得温度得影响。
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,而石膏板内表面得温度可以升高2、60C。
说明本发明得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得变化范围内,减少空调得使用时间,达到节能减排得目得。
为控制变量,我们选择厚度为50mm石膏板,相变层10mm与15mm进行热力学性能测试。
增加相变夹层得厚度有利于提高夹层相变石膏板得隔热性能,增加相变储能石膏板得蓄热能力与热惰性;通过研究对比复合相变材料体积掺量为30%得直掺法相变储能石膏板与夹层相变储能石膏板,发现采用改进得夹层法时,相变储能石膏板得隔热效果更佳。
图9 matlab 拟合得空间内部温度曲线函数 分析装有不同石膏板得空间得温度变化曲线,去掉加热开始得数据不稳定得部分。
把0、70h 至4、83h 时间段得曲线用数学软件matlab 进行拟合,结果如图11。
由于空间吸收得热量就是指某一个时间段吸收得热量,在加热0、7h 时装有空白石膏板与PCM 石膏板得空间温度均为240C 。
按下列公式进行计算:UqZBmYG 。
c dx x c Q ⨯=-*=⎰13.32)24)((f 83.470.00 (1) c dx x g x c Q ⨯=-*=⎰∆31.9)()(f 83.470.0 (2) %100*=∆QQ η=28、98% (3) 其中:c 为空间内热容 0Q 为装有空白石膏板得密闭空间内变化得热量∆Q 为装有PCM 石膏板得密闭空间比0Q 少变化得热量η为PCM 石膏节能得效率5、特色及创新之处1)配制出了高相变焓得相变材芯,相变石膏板调温效果明显,可降低能耗约30%。