CN109140803A - 一种太阳能空气集热器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能空气集热器，包括器体、保温层、蓄热层、集热板、风管、风机和玻璃盖板，所述器体由合金材料制成，为集热器整体的最外层，所述保温层为保温材料，所述蓄热层为含有相变微胶囊的分散乳液，风管在保温层围成区域蛇形分布，风管分布区填充蓄热层材料，集热板安装在器体一侧面，并与蓄热层接触，玻璃盖板不直接接触地安装于集热板之上，在缺乏阳光照射集热的情况下，蓄热层储存的相变潜热释放，持续提供热量，具有高的集热效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域，尤其涉及一种太阳能空气集热器。
背景技术
目前，室内供暖主要采用常规能源如空气或者暖气，其主要弊端为不环保。空气集热器可以直接吸收太阳光转变为热能，用于家庭及办公的供暖或工业热风烘干系统，其主要耗能元器件为风机，耗能比较低，而且绿色环保，在强光照地区得到广泛应用。但其易受外界条件的影响，无法满足夜间及阴雨天气时的热量需求，而且温度波动较大。
发明内容
本发明旨在提供一种太阳能空气集热器，以解决上述提出问题。
本发明的实施例中提供了一种太阳能空气集热器，包括器体、保温层、蓄热层、集热板、风管、风机和玻璃盖板，所述器体由合金材料制成，为集热器整体的最外层，所述保温层为保温材料，优选为纳基隔热软毡，所述蓄热层为含有相变微胶囊的分散乳液，风管在保温层围成区域蛇形分布，风管分布区填充蓄热层材料，集热板安装在器体一侧面，并与蓄热层接触，玻璃盖板不直接接触地安装于集热板之上，所述相变微胶囊由壁材和芯材组成，芯材为有机相变材料，壁材为由改性碳纳米管、石墨烯氧化物和改性碳化钛纳米片复合得到的复合材料；
优选地，所述相变微胶囊在分散乳液中的质量占比为50％-90％之间；
优选地，所述相变微胶囊粒径在0.5-60μm；
优选地，改性碳纳米管由多壁碳纳米管经混酸、强碱、过氧化氢处理修饰得到；
进一步优选地，多壁碳纳米管直径为8-15nm，长度为0.5-2μm；
优选地，石墨烯氧化物由石墨经强酸氧化得到；
优选地，改性碳化钛纳米片由钛碳化铝经氢氟酸处理后修饰改性制得；
进一步优选地，由异丙醇、乙二醇和三氯化铁的热反应进行修饰改性；
优选地，所述有机相变材料相变温度为80℃-105℃；
优选地，微胶囊由芯材：石墨烯氧化物、改性碳化钛纳米片、改性碳纳米管按质量比100：4：6：0.1在盐酸溶液中超声囊化制得；
进一步优选地，盐酸溶液浓度为0.01mol/L。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明通过集热板、保温层、蓄热层的设置，在阳光下进行集热工作时，热量供给充足，蓄热层将部分能量通过相变潜热的形式储存，在缺乏阳光照射集热的情况下，蓄热层储存的相变潜热释放，持续提供热量，集热效率高。
以有机相变材料为相变微胶囊芯材,改性碳纳米管-石墨烯氧化物-改性碳化钛纳米片复合材料为包覆壁材，通过壁材的导热增强作用，利用“分子桥”结构将芯材包覆在球形外壳中，相互交联成一个有机的封闭整体，一方面高导热材料在胶囊内外间形成热传导通道，增强导热能力，一方面提高了胶囊的机械性能。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明基本结构示意图；
图2是本发明俯视角的结构示意图。
附图标记：1-玻璃盖板；2-集热板；3-蓄热层；4-风管；5-保温层；6-器体；7-风机；8-进风口。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
全球能源日益短缺，提高能源利用效率、实现热能的循环利用是缓解能源危机的一个重要途径，当前热能利用主要是利用化石燃料直接产生热能后用于生产和生活，该利用方式存在大量低温余热的浪费，寻求高效的低温热能存储方法，不仅可提高能源利用率，而且可实现节能减排的目的。储热技术利用物质内部能量转化，通过人为干预的方式对热能进行收集、储存、运输和释放，进而实现对热能供求关系合理调控，其中，相变储热具有储热密度高、成本低、储放热过程近似于恒温和储热放热可控的特点，是最具规模化应用前景的一种储热技术。
物质相变过程完成的时间与其等效半径的平方成正比，相变物质体积越小，其相变过程的换热效率就越高，完成的时间就越短，利用微纳米胶囊技术，将相变储热材料封装在微米级或者纳米级的胶囊内，有助于解决相变储热材料的流动、相分离及腐蚀性等问题，进一步提高其应用价值。
当前，微纳米胶囊相变储热材料的壁材主要选用合成有机高分子材料，包括脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、聚苯乙烯、聚氨酯树脂、聚丙烯酸酯树脂、聚脲、芳香族聚酰胺、环氧树脂等，这些材料普遍存在稳定性较差、相变材料囊化效率低以及壁材-芯材之间热导效果不理想等缺点，而且，相变材料发生固液相变时的体积膨胀也对壁材的机械稳定性和延展性提出更高的要求，制约了相转化材料微纳胶囊化的应用前景。
本发明的实施例涉及一种太阳能空气集热器，包括器体、保温层、蓄热层、集热板、风管、风机和玻璃盖板，所述器体由合金材料制成，为集热器整体的最外层，所述保温层为保温材料，优选为纳基隔热软毡，所述蓄热层为含有相变微胶囊的分散乳液，风管在保温层围成区域蛇形分布，风管分布区填充蓄热层材料，集热板安装在器体一侧面，并与蓄热层接触，玻璃盖板不直接接触地安装于集热板之上，所述相变微胶囊由壁材和芯材组成，芯材为有机相变材料，壁材为由改性碳纳米管、石墨烯氧化物和改性碳化钛纳米片复合得到的复合材料；
优选地，所述相变微胶囊在分散乳液中的质量占比为50％-90％；
优选地，所述相变微胶囊粒径在0.5-60μm；
优选地，改性碳纳米管由多壁碳纳米管经混酸、强碱、过氧化氢处理修饰得到；
进一步优选地，多壁碳纳米管直径为8-15nm，长度为0.5-2μm；
经官能团化修饰改性后的碳纳米管的溶液Zeta电位绝对值增大，具有优良的水溶性、分散性和稳定性，碳纳米管通过在壁材内部的富集，增强了壁材和芯材之间共轭π电子与烷烃碳氢键的相互作用，增强了微胶囊的完整性，增大了相转化材料的包覆率，为相转化材料提供成核位点，抑制过冷现象；
优选地，石墨烯氧化物由石墨经强酸氧化得到；
优选地，改性碳化钛纳米片由钛碳化铝经氢氟酸处理后修饰改性制得；
进一步优选地，由异丙醇、乙二醇和三氯化铁的热反应进行修饰改性；
改性处理得到的碳化钛纳米片表面具有丰富的氟基和羟基，经强酸氧化处理得到的石墨烯氧化物，其边缘处有大量的羧基，片层整体呈现类表面活性剂结构，中间为共轭的疏水区域，有利于相变材料的包覆，边缘带负电亲水，有利于改性碳化钛纳米片在边缘处形成相互作用，实现微胶囊的包覆封装；
优选地，所述有机相变材料相变温度为80℃-105℃；
优选地，微胶囊由芯材、石墨烯氧化物、改性碳化钛纳米片、改性碳纳米管按质量比100：4：6：0.1在盐酸溶液中超声囊化得到；
进一步优选地，盐酸溶液浓度为0.01mol/L。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
本实施例中，一种太阳能空气集热器，包括器体、保温层、蓄热层、集热板、风管、风机和玻璃盖板，所述器体由合金材料制成，为集热器整体的最外层，所述保温层为保温材料，优选为纳基隔热软毡，所述蓄热层为含有相变微胶囊的分散乳液，风管在保温层围成区域蛇形分布，风管分布区填充蓄热层材料，集热板安装在器体一侧面，并与蓄热层接触，玻璃盖板不直接接触地安装于集热板之上；
所述相变微胶囊由壁材和芯材组成，芯材为有机相变材料，壁材为由改性碳纳米管、石墨烯氧化物和改性碳化钛纳米片复合得到的复合材料，所述相变微胶囊在分散乳液中的质量占比为90％，所述有机相变材料为相变温度80℃的特种相变蜡；
所述含有相变微胶囊的分散乳液的制备包括以下步骤：
步骤1、制备石墨烯氧化物
在0.3g石墨中加入H2SO430ml、H3PO44ml，冷却至室温后，分多次少量地缓慢加入1.6g高锰酸钾，将溶液加热至50℃，在磁力搅拌器上保温搅拌反应12h，得到墨绿色混合物，将得到的混合物边搅拌边缓慢地加入50ml冰水中，冷却至室温，得到紫色混合物，逐滴滴加过氧化氢溶液至高锰酸钾完全反应，得到黄色溶液，在室温下静置3d后离心、蒸馏水洗涤，得到黄褐色沉淀，重复5次离心和洗涤，得到氧化石墨，加入100ml水混匀，超声处理4h后静置过夜，离心，取上清液，60℃烘箱干燥；
步骤2、制备改性碳化钛纳米片
碳化钛铝粉体过400目筛，缓慢加入到两倍质量的50wt％HF溶液中，室温下500rpm搅拌2h后，8000rpm离心10min，沉淀用去离子水洗涤，重复离心和洗涤至上清液pH呈中性，蒸馏水浸泡24h后，100℃干燥，按沉淀400份，FeCl34份，异丙醇200份，乙二醇1份的比例混合，于磁力搅拌器上磁子搅拌4h后移入高压反应釜，在200-300℃条件下反应24h，用乙醇和蒸馏水洗涤灰色沉淀物三次，80℃烘箱干燥6h；
步骤3、制备改性碳纳米管
碳纳米管用50％质量分数的HNO3溶液按1:8的比例，在80℃水浴条件下回流12h，抽滤后用蒸馏水冲洗去除残余HNO3，浓HNO3与浓H2SO4按1:3的比例混合制备混酸，碳纳米管与混酸按1:5的比例混合，超声处理4h，抽滤后用蒸馏水冲洗去除残余混酸，得到的碳纳米管中加入4倍质量的40％的NaOH溶液，超声处理2h，抽滤后用蒸馏水冲洗，加入3倍质量的20％的H2O2溶液处理2h，离心，沉淀用蒸馏水清洗至中性后干燥；
步骤4、囊化
在10ml的0.01mol/L盐酸溶液中加入1mg改性碳纳米管、40mg石墨烯氧化物、60mg改性碳化钛纳米片，在冰水浴，氮气保护氛围条件下进行超声处理，变幅杆钛合金探头直径为6mm，变幅杆伸至液面下10mm，超声时间15min，超声频率20kHz，空占比50％，超声结束得到杂化物分散体，加入1g有机相变材料，升温至有机相变材料融化完全，超声处理10min，冰水浴冷却。
以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种太阳能空气集热器，其特征在于，包括器体、保温层、蓄热层、集热板、风管、风机和玻璃盖板，所述器体由合金材料制成，为集热器整体的最外层，所述保温层为保温材料，所述蓄热层为含有相变微胶囊的分散乳液，风管在保温层围成区域蛇形分布，风管分布区填充蓄热层材料，集热板安装在器体一侧面，并与蓄热层接触，玻璃盖板不直接接触地安装于集热板之上，所述相变微胶囊由壁材和芯材组成，芯材为有机相变材料，壁材为由改性碳纳米管、石墨烯氧化物和改性碳化钛纳米片复合得到的复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能空气集热器，其特征在于，所述保温材料为纳基隔热软毡。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能空气集热器，其特征在于，所述相变微胶囊粒径为0.5-60μm，在分散乳液中的质量占比为50％-90％。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能空气集热器，其特征在于，所述改性碳纳米管由多壁碳纳米管经混酸、强碱、过氧化氢处理修饰制得。
5.根据权利要求4所述的一种太阳能空气集热器，其特征在于，所述多壁碳纳米管直径为8-15nm，长度为0.5-2μm。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能空气集热器，其特征在于，所述改性碳化钛纳米片由钛碳化铝经氢氟酸处理后与异丙醇、乙二醇和三氯化铁的热反应修饰改性制得。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能空气集热器，其特征在于，所述相变微胶囊由芯材：石墨烯氧化物、改性碳化钛纳米片、改性碳纳米管按质量比100：4：6：0.1在盐酸溶液中超声囊化制得。
8.根据权利要求7所述的一种太阳能空气集热器，其特征在于，所述盐酸溶液浓度为0.01mol/L。
9.根据权利要求1所述的一种太阳能空气集热器，其特征在于，所述含有相变微胶囊的分散乳液的制备包括以下步骤：
步骤1、制备石墨烯氧化物
在0.3g石墨中加入H2SO430ml、H3PO44ml，冷却至室温后，分多次少量地缓慢加入1.6g高锰酸钾，将溶液加热至50℃，在磁力搅拌器上保温搅拌反应12h，得到墨绿色混合物，将得到的混合物边搅拌边缓慢地加入50ml冰水中，冷却至室温，得到紫色混合物，逐滴滴加过氧化氢溶液至高锰酸钾完全反应，得到黄色溶液，在室温下静置3d后离心、蒸馏水洗涤，得到黄褐色沉淀，重复5次离心和洗涤，得到氧化石墨，加入100ml水混匀，超声处理4h后静置过夜，离心，取上清液，60℃烘箱干燥；
步骤2、制备改性碳化钛纳米片
碳化钛铝粉体过400目筛，缓慢加入到两倍质量的50wt％HF溶液中，室温下500rpm搅拌2h后，8000rpm离心10min，沉淀用去离子水洗涤，重复离心和洗涤至上清液pH呈中性，蒸馏水浸泡24h后，100℃干燥，按沉淀400份，FeCl34份，异丙醇200份，乙二醇1份的比例混合，于磁力搅拌器上磁子搅拌4h后移入高压反应釜，在200-300℃条件下反应24h，用乙醇和蒸馏水洗涤灰色沉淀物三次，80℃烘箱干燥6h；
步骤3、制备改性碳纳米管
碳纳米管用50％质量分数的HNO3溶液按1:8的比例，在80℃水浴条件下回流12h，抽滤后用蒸馏水冲洗去除残余HNO3，浓HNO3与浓H2SO4按1:3的比例混合制备混酸，碳纳米管与混酸按1:5的比例混合，超声处理4h，抽滤后用蒸馏水冲洗去除残余混酸，得到的碳纳米管中加入4倍质量的40％的NaOH溶液，超声处理2h，抽滤后用蒸馏水冲洗，加入3倍质量的20％的H2O2溶液处理2h，离心，沉淀用蒸馏水清洗至中性后干燥；
步骤4、囊化
在10ml的0.01mol/L盐酸溶液中加入1mg改性碳纳米管、40mg石墨烯氧化物、60mg改性碳化钛纳米片，在冰水浴，氮气保护氛围条件下进行超声处理，变幅杆钛合金探头直径为6mm，变幅杆伸至液面下10mm，超声时间15min，超声频率20kHz，空占比50％，超声结束得到杂化物分散体，加入1g有机相变材料，升温至有机相变材料融化完全，超声处理10min，冰水浴冷却。
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