黃志林-節(jié)能減排說明書

新型夾層式節(jié)能相變石膏板及制備工藝說明書設(shè)計者：黃志林，王麗瓊，魏紅姍，趙方圓，鄭欣指導(dǎo)教師：朱建平 （河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 ）作品內(nèi)容簡介相變儲能材料是在一定溫度范圍內(nèi)，利用材料本身相變或結(jié)構(gòu)的變化，根據(jù)自身獨(dú)特潛熱性能，當(dāng)環(huán)境溫度升高或降低的時，它可以向環(huán)境釋放多余的熱量儲存起來或釋放儲存的熱量起到保溫作用的一種熱功能復(fù)合材料【1-2】。將相變材料添加到石膏板中可以制得新型相變儲能石膏板。相變儲能建筑石膏板兼?zhèn)淦胀ㄊ喟搴拖嘧儾牧蟽烧叩奶攸c(diǎn)，能夠吸收和釋放適量的熱能，對溫度起到“削峰填谷”的作用，減少空調(diào)的使用時間，減少CO2的排放量，具有明顯的節(jié)能減排作用。膨脹珍珠巖是由火山玻璃質(zhì)熔巖經(jīng)高溫焙燒瞬時膨脹而成的一種白色多孔顆粒狀物質(zhì)，其可以作為制備定形相變材料的骨架載體。膨脹石墨是一種常用的高導(dǎo)熱型填料。摻入10%膨脹石墨后，復(fù)合相變材料的熱響應(yīng)速度明顯提高，即固-液相變進(jìn)程得到明顯提升，同時也在一定程度上提高了夾層相變儲能石膏板的蓄熱速率，增強(qiáng)了其熱交換速度；本設(shè)計采用膨脹珍珠巖吸附相變材料，制成復(fù)合相變儲能顆粒，摻入膨脹石墨，填入石膏板層中，采用夾層式結(jié)構(gòu)，底層為石膏層，頂層為導(dǎo)熱增強(qiáng)石膏層，中間層采用圓柱體空腔設(shè)計，填入復(fù)合相變儲能顆粒，制成一面強(qiáng)導(dǎo)熱，一面低導(dǎo)熱，中間具有高潛熱儲熱性能的復(fù)合層式石膏板。采用夾層式結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要具有如下幾個優(yōu)點(diǎn)：1)夾層式結(jié)構(gòu)設(shè)計比簡單層式設(shè)計而言，具有較高的表面強(qiáng)度，因此更符合建筑石膏板的強(qiáng)度要求。2）夾層式設(shè)計集中了復(fù)合相變儲能材料，摻入導(dǎo)熱石墨后具有較好的導(dǎo)熱儲熱性能，因此具有較好的調(diào)溫控溫效果，我們發(fā)明的新型復(fù)合相變儲能石膏板與現(xiàn)有的相變儲能石膏板相比，主要有以下三方面的創(chuàng)新：1）配制出了相變焓為137.9kJ/kg的相變材芯，相變石膏板調(diào)溫效果明顯，可降低能耗30%。2）用10%膨脹石墨做外加劑，提高了相變石膏板調(diào)溫速率。3）用導(dǎo)熱增強(qiáng)短纖維復(fù)合石膏做頂層，既提高了導(dǎo)熱速率，又增強(qiáng)了石膏板的表面強(qiáng)度。聯(lián)系人：黃志林 聯(lián)系電話：EMALL:1.作品背景及意義世界范圍內(nèi)對于相變儲能建筑材料的研究最早是從上世紀(jì)三十年代開始的，研究時間較早，而我國則是在八十年代才開始研究，研究時間相對較短。目前，國內(nèi)外利用膨脹珍珠巖抽真空吸附相材料來制備復(fù)合相變儲能材料的試驗(yàn)做了許多研究工作，但在與建筑材料的復(fù)合上，大多使用的浸滲法，直接混合法，多孔基體材料吸附法，微膠囊法3-5，但較少采用夾層法，本實(shí)驗(yàn)采用的新型夾層式結(jié)構(gòu)設(shè)計兼有夾層法能集中相變材料儲熱密度高的優(yōu)點(diǎn)，能更有效的進(jìn)行儲熱換熱過程，熱交換效率大大提高，又在其基礎(chǔ)上增強(qiáng)了石膏板的強(qiáng)度，具有較大的市場優(yōu)勢。2制備流程圖和詳細(xì)制備過程2.1制備流程圖500煅燒一小時，去除表面的可燃性雜質(zhì)以及少量水分DSC選取合適比例的癸酸、棕櫚酸復(fù)配低共熔“合金” 配制預(yù)處理 相變芯材膨脹珍珠巖 復(fù)合相變儲能材料 與合適比例膨脹石墨混合 摻有碳纖維的石膏漿體相變復(fù)合顆粒/石墨混合物 底層及中間有空腔的石膏基 復(fù)合相變儲能石膏板 2.2詳細(xì)制備過程1） 制備復(fù)合相變儲能材料DSC測試后，選擇以癸酸：棕櫚酸為85:15的比例復(fù)配形成的脂肪酸低共熔物為相變芯材，并按照相變材料與膨脹珍珠巖質(zhì)量比為65:35制備復(fù)合相變材料。具體制備步驟為：首先將膨脹珍珠巖置于500馬弗爐內(nèi)烘烤2h，以去除其表面的水分和有機(jī)雜質(zhì)。預(yù)處理：配置一定濃度的憎水溶液，對膨脹珍珠巖進(jìn)行憎水處理，并烘干。其次稱取65份固態(tài)相變材料放置于燒杯內(nèi)，將燒杯置于60的恒溫水浴鍋內(nèi)使其完全融化成液態(tài)，加入35份處理后的膨脹珍珠巖顆粒，攪拌均勻，然后再將燒杯置于真空度為0.05MPa，溫度為40的真空干燥箱中吸附4h，取出，自然冷卻至室溫，即得膨脹珍珠巖/復(fù)配脂肪酸復(fù)合相變材料（CA-PA/EP)。2）與膨脹石墨混合將膨脹石墨按不同的比例與制作好的復(fù)合相變材料在常溫下攪拌均勻，充分混合。3）制作相變石膏板 將適量的石膏漿澆入模具中，制出帶有圓柱體空腔的半干石膏體，再將混合好的復(fù)合相變材料按不同的比例加入，覆蓋摻有碳纖維的石膏漿體，刮平，等待成型，制備成可以調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的相變儲能石膏板，并測試制備的石膏板調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的能力和石膏板的物理性能，確定出復(fù)合相變材料的最佳摻加比例。4)產(chǎn)品照片 圖1摻膨脹石墨的復(fù)合相變顆粒 圖2自制定位輔助紙板與復(fù)合相變儲能石膏板圖片 3.技術(shù)關(guān)鍵3.1癸酸/棕櫚酸/膨脹珍珠巖復(fù)合相變儲能顆粒與膨脹石墨的混合比例將摻有不同比例的膨脹石墨復(fù)合材料填入石膏板，進(jìn)行溫控測試，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻加10%的膨脹石墨，一定程度上可以提高夾層相變儲能石膏板的蓄熱速率，增強(qiáng)其熱交換速度。3.2 摻入頂層石膏的碳纖維的比例石膏中摻入碳纖維會提高強(qiáng)度，但同時也會降低石膏的黏度，所以摻入的碳纖維要有一個合適的比例，使其增加強(qiáng)度的同時盡量不降低黏度。3.3中間相變層的結(jié)構(gòu)設(shè)計頂層增強(qiáng)石膏層中間相變材料層底層普通石膏層復(fù)合相變材料材；料石膏基本設(shè)計根據(jù)兩種材料采用不同結(jié)構(gòu)復(fù)合后的格里菲斯強(qiáng)度比較，選用的是夾層式結(jié)構(gòu)，相變材料相間填入由石膏板構(gòu)成的圓柱體空腔中。具體結(jié)構(gòu)示意圖如下： 層式設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖 中間層結(jié)構(gòu)示意圖由于石膏凝結(jié)速度較快，所以在調(diào)制成漿體時需要加入適量緩凝劑，使得前后加入的石膏漿凝結(jié)速率趨于一致。在添加中間層的相變材料時，為了精確的按照設(shè)計加入相變復(fù)合材料，我們制作了定位輔助紙板，來精確加料到中間石膏層的圓柱體空腔中，從而制作出符合設(shè)計要求的復(fù)合相變儲能石膏板。4. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與說明4.1復(fù)合相變芯材掃描電鏡分析下圖3為膨脹珍珠巖基體和復(fù)合相變材料（CA-PA/EP）的SEM照片，從（a）可以看出膨脹珍珠巖內(nèi)部呈蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，大部分孔徑在幾微米至幾十微米之間。從（b）可以看出，吸附過脂肪酸相變材料后，膨脹珍珠巖的凹坑內(nèi)被相變材料所填充，兩者有效復(fù)合形成了定型相變材料。 （a）膨脹珍珠巖SEM照片 （b）CA-PA/EP 圖3膨脹珍珠巖和CA-PA/EP的SEM照片圖a顯示膨脹珍珠巖內(nèi)部存在大量的孔結(jié)構(gòu)，可以作為相變材料的吸附載體使用。圖b顯示相變顆粒均勻的吸附于珍珠巖的孔徑之中。4.2癸酸/棕櫚酸復(fù)配比例及復(fù)合相變芯材與膨脹珍珠巖配比的確定圖4相變芯材DSC曲線 圖5 吸附有相變芯材的膨脹珍珠巖DSC曲線圖4表明，自制相變芯材復(fù)配比為85:15時的相變溫度符合人體舒適溫度要求，相變焓為137.9J/g，蓄熱能力較強(qiáng)。 抽真空吸附實(shí)驗(yàn)證明復(fù)配脂肪酸和膨脹珍珠巖的比例為65:35時，吸附量達(dá)到飽和。按照如下公式計算復(fù)配脂肪酸/膨脹珍珠巖復(fù)合相變儲能顆粒的相變焓值：Q復(fù)合=Q基*65/100其中：Q復(fù)合-吸附飽和復(fù)合相變儲能顆粒的相變潛熱值Q基-復(fù)配脂肪酸低共熔“合金”的相變潛熱值將Q基為137.9J/g代入公式得，理論復(fù)合相變儲能顆粒的相變潛熱為89.64J/g，與實(shí)測值88.39 J/g相符合。4.3膨脹石墨對層式相變石膏板傳熱性能的影響 (a) 板內(nèi)表面溫度 （b）裝置內(nèi)部溫度圖6 膨脹石墨對夾層相變石膏板傳熱性能的影響上圖6曲線為測試的膨脹石墨對夾層相變石膏板傳熱性能的影響。其中在復(fù)合相變材料夾層摻入占復(fù)合相變材料質(zhì)量比10%的膨脹石墨?？芍?，摻入膨脹石墨后，夾層相變板的傳熱性能有所提高。升溫結(jié)束時，摻膨脹石墨的相變夾層板內(nèi)表面溫度和裝置內(nèi)部溫度分別為43.4和38。相比于不摻時的情況，要分別高出3和1.1。究其原因是，膨脹石墨屬于高導(dǎo)熱型材料，摻加后，可以提高復(fù)合相變材料的熱響應(yīng)速度，使其發(fā)生固-液相變的時間變短，因而在相同時間條件下，穿過夾層相變石膏板達(dá)到其內(nèi)表面的熱量也會相應(yīng)的的增大，其結(jié)果是，夾層板的內(nèi)表面以及裝置內(nèi)部溫度均有所增大。由此說明，摻入一定的膨脹石墨能夠在一定程度上改善夾層相變石膏板的熱響應(yīng)能力，使其吸-放熱循環(huán)過程加速進(jìn)行。4.4復(fù)合相變材料摻量對石膏板抗壓強(qiáng)度的影響表1不同相變材料摻加量的石膏強(qiáng)度相變材料摻加量（%）3d絕干抗折強(qiáng)度（MPa）3d絕干抗壓強(qiáng)度(MPa)03.094.55102.784.69202.084.41301.584.09401.343.78隨著相變材料摻量的增加，石膏板的強(qiáng)度會逐漸稍微下降，30%摻量時強(qiáng)度就下降12.4%，為了滿足建筑材料基本的力學(xué)性能要求，同時達(dá)到蓄熱儲能的目的，相變蓄熱復(fù)合材料的添加量要有一個合適的比例。4.5自制溫控模型測試數(shù)據(jù)分析與節(jié)能效率下圖7為實(shí)驗(yàn)室自制的相變儲能石膏板傳熱性能測試裝置，利用圖示裝置可以測試石膏板的傳熱性能。測試步驟為:開啟熱源，使熱量以對流換熱的形式傳遞至石膏板一側(cè)，然后熱量再以導(dǎo)熱的形式傳遞至測試箱內(nèi)，測試箱的內(nèi)部空間大小為303030cm3，其是由一面石膏板和5面EPS保溫板密閉形成的正方體空間結(jié)構(gòu)。測試箱內(nèi)部空間中心位置以及石膏板內(nèi)表面（遠(yuǎn)離熱源的面）安放有溫度傳感器，以此來記錄整個測試過程中的升降溫溫度曲線。圖7自制相變石膏板控溫測試模型 圖8（a） 空白板與石膏板的內(nèi)表面溫度對比 圖8（b）空白板與石膏板的裝置空間溫度對比利用自制控溫測試裝置測出摻入相變材料的石膏板對封閉空間和石膏板內(nèi)表面的溫度的影響。與普通石膏板相比，當(dāng)封閉空間溫度高時，相變石膏板吸收熱量，使溫度降低，其中空間內(nèi)最多可使溫度降低2.70C，而石膏板內(nèi)表面溫度可以降低4.00C；當(dāng)封閉空間溫度低時，相變石膏板可使空間內(nèi)溫度升高，其中最多可升高1.80C，而石膏板內(nèi)表面的溫度可以升高2.60C。說明本發(fā)明的新型節(jié)能相變石膏板可以很好地控制環(huán)境溫度，使環(huán)境溫度保持在較低的變化范圍內(nèi)，減少空調(diào)的使用時間，達(dá)到節(jié)能減排的目的。為控制變量，我們選擇厚度為50mm石膏板，相變層10mm和15mm進(jìn)行熱力學(xué)性能測試。增加相變夾層的厚度有利于提高夾層相變石膏板的隔熱性能，增加相變儲能石膏板的蓄熱能力和熱惰性；通過研究對比復(fù)合相變材料體積摻量為30%的直摻法相變儲能石膏板與夾層相變儲能石膏板，發(fā)現(xiàn)采用改進(jìn)的夾層法時，相變儲能石膏板的隔熱效果更佳。圖9 matlab擬合的空間內(nèi)部溫度曲線函數(shù)分析裝有不同石膏板的空間的溫度變化曲線，去掉加熱開始的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的部分。把0.70h至4.83h時間段的曲線用數(shù)學(xué)軟件matlab進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖11。由于空間吸收的熱量是指某一個時間段吸收的熱量，在加熱0.7h時裝有空白石膏板和PCM石膏板的空間溫度均為240C。按下列公式進(jìn)行計算： （1） （2） =28.98% （3）其中：為空間內(nèi)熱容為裝有空白石膏板的密閉空間內(nèi)變化的熱量為裝有PCM石膏板的密閉空間比少變化的熱量為PCM石膏節(jié)能的效率5.特色及創(chuàng)新之處1）配制出了高相變焓的相變材芯，相變石膏板調(diào)溫效果明顯，可降低能耗約30%。2）新型夾層式結(jié)構(gòu)設(shè)計使得石膏板的表面強(qiáng)度大大增強(qiáng)，更符合建筑石膏板的強(qiáng)度要求。3）用摻10%的導(dǎo)熱石墨與之混合，提高了相變石膏板調(diào)溫速率，也具有填充珍珠巖顆?？障兜淖饔谩?）用具有導(dǎo)熱增強(qiáng)效果的碳短纖維復(fù)合入石膏，既提高了導(dǎo)熱速率，又增強(qiáng)了石膏板的表面強(qiáng)度。6.推廣應(yīng)用前景分析節(jié)能減排是深入貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建社會主義和諧社會的重大舉措。本發(fā)明的新型夾層式結(jié)構(gòu)復(fù)合相變儲能石膏板可以明顯的控制室內(nèi)溫度。將能量以相變潛熱的形式進(jìn)行貯存,實(shí)現(xiàn)能量在不同時空位置之間的轉(zhuǎn)換6。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與普通石膏板相比，在人體舒適溫度范圍內(nèi)，夾層相變石膏板隔熱性能更佳，保溫效果更好，作為內(nèi)墻襯板使用時，在相同外界熱環(huán)境下，傳入室內(nèi)的熱量要更少一些，能夠有效降低室內(nèi)環(huán)境溫度的波動幅度，改善室內(nèi)熱舒適度。使用本發(fā)明的新型節(jié)能相變石膏板可以減少空調(diào)的使用時間，減少CO2的排放量，具有明顯的節(jié)能減排作用，產(chǎn)品市場應(yīng)用前景廣闊。主要參考文獻(xiàn)1LinKunping,ZhangYinping,DIHongfa,etal.Modelingand simulationo funder-door electric heating system with shapestabilized PCMplatesJ.BuildingandEnvironment，2004，39：1427-1434.2Min Li, Zhishen Wu, Hongtao 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