精新相能引领硐室相变温控的新技术-中国矿业114网 
精新相能引领硐室相变温控的新技术
2013-11-26
随着科学技术的快速发展,能源逐渐成为人类赖以生存的基础,但是能源的供应与需求都有较强的时间性,为了提高能源利用效率、保护环境、解决热能供给与需求失配的矛盾,在太阳能利用,电力的“移峰填谷”,废热回收利用以及建筑与空调的节能中,相变蓄热技术已经成为世界范围内研究的热点。
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  一、高科技的相变材料推进了节能技术的创新
  随着科学技术的快速发展,能源逐渐成为人类赖以生存的基础,但是能源的供应与需求都有较强的时间性,为了提高能源利用效率、保护环境、解决热能供给与需求失配的矛盾,在太阳能利用,电力的“移峰填谷”,废热回收利用以及建筑与空调的节能中,相变蓄热技术已经成为世界范围内研究的热点。
  从20世纪60年代开始,相变材料技术就成功地应用到载人空间技术上,随后就得到科学界广泛研究和推广。目前,无机相变材料技术,在热能工程、建筑材料、恒温储运和纺织服装等领域有着广泛的应用,将为节能市场开辟了新的道路,它的应用市场也将有巨大的发展空间。
  美国的Reportlinker公司调查显示,2009年全球的PCM(PhaseChangeMaterial相变材料)市场规模1955.20亿元(以下都以人民币为货币单位),98%的份额集中在欧美市场,预计2015年将增长到9672.65亿元,今后5年会以31.7%的增长率高速增长。目前中国相变材料市场几乎空白,因此未来五年中国市场将有几何倍数的增长,预计到2015年,市场将增加到1000亿元以上,相变技术发展势必推进中国能源应用技术的革新和发展。
  

   二、精新相能的硐室相变温控原理
  相变材料分为有机相变和无机相变材料,但是有机相变材料由于闪点低、成本高等原因无法应用到硐室温控中,因此本文只介绍无机相变材料在硐室温控中的应用。
  无机相变材料是一种具有特殊功能的物质,人们利用它能在特定的温度下发生物相的变化,并伴随着吸收或放出热量的作用,来控制周围环境的温度。
  1、相变材料基本特征
  相变过程中有原子扩散运动,相变速率受原子扩散速度所控制;新相和母相得成分往往不同;只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化,没有宏观形状改变。非扩散型相变:相变过程中原子不发生扩散,参与转变的所有原子的运动是协调一致的相变称为非扩散型相变。一般特征是:
  ①存在由于均匀切变引起的宏观形状改变,可在预先制备的抛光试样表面上出现浮突现象;
  ②相变不需要通过扩散,新相和母相的化学成分相同;
  ③新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系;
  ④某些材料发生非扩散相变时,相界面移动速度极快,可接近声速。
  2、相变作用的基本原理
  在相变过程中,相变储能材料与环境进行能量交换,从而达到控制环境温度和能量目的。由于有机相变储能材料使用温度范围比较窄,而无机相变储能材料其使用温度范围宽,同时它还具有储能密度高、体积小巧、温度控制恒定、节能效果显著、易于控制等优点,无机相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。
  物理状态发生变化时,材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变,形成一个宽的温度平台,虽然温度不变,但吸收或释放的潜热却相当大,如图1所示。为了更好的应用和改善无机相变储能材料的性能常利用一些方法进行测试和改进。

相变材料蓄能作用机理

  图1 相变材料蓄能作用机理

  储冷材料分子在储冷放冷过程中是有结晶状态和非结晶状态行程的,具体列图如下:

相变材料液态固态转换分子结构

  图2 相变材料液态固态转换分子结构

  也就是说,我们相变蓄冷材料的结晶温度点是26℃,当外界环境温度升高或下降时,分子间的键能就会增大或减小,相变材料就会自动吸收或放出冷量,而自身的温度不改变,直到能量饱和为止。同时,相变材料就会从环境中吸收或释放热能,从而达到硐室自动调温的效果。
  相变材料温度上升或下降1℃吸收或放出能量的100倍左右,是储冷恒温材料本身特有的物理特性,并且不会因为外界环境而改变。
  3、精新相能的相变点及温控范围
  北京精新相能科技有限公司通过化合物复配技术很好的解决了无机相变材料的诸多缺陷,自主研发的相变蓄冷材料相变温度点涵盖了-62℃到995℃,可根据冷藏温度的需要可以选择适用的相变温度。由于不同的相变材料可以实现不同的温度控制,双温冷藏箱就有了上述选择之外的第三种选择。每种相变材料的相变温度是固定不变,具有良好的稳定性,试验表明,反复使用10000次以上蓄冷量仍能保持95%以上,性能衰减控制在5%以内。
  

    三、硐室相变温控解决方案
  北京精新相能现已在全国各地都有无源相变硐室成功案例,精新相能在长时间的避险过程中,营造一个干爽、清凉的环境对避险人员的生命安全、生理和心理方面都极其重要,但同时控温系统也是避险设备中较难解决的问题。
  1、24℃至26℃相变材料是硐室温控最佳
  目前大多数浅层低温矿井的环境温度均为18~22℃范围内,采用相变温度高于这一范围的相变材料便可实现平时免维护,相变材料可以在自然条件下保持在蓄冷状态;而相变温度过高,如果超过26℃便会影响其控温效果。
  按照煤矿避难逃生设备的降温除湿要求,在避难人员等待救援的过程中环境温度不能高于32℃,根据热传导速率,在密闭空间内无空气强制对流的条件下,如果相变温度过高环境温度很容易超出这一限定要求。降温除湿作用将成为一纸空谈,难以满足安监技术要求。
  2、硐室人均相变材料计算
  在逃生舱或者硐室中,热量由三个途径产生:人体发热、侧壁传热和设备发热。蓄能相变材料可布置在舱体内壁上,也可以制成相变服装由避险者穿着。布置在内壁的蓄能相变材料常用的有板状产品和袋装产品。可以根据舱体形状设计布置方案。相变服装由一件阻燃防静电服装(阻燃等级B、防静电等级B)和一套(六组)12块蓄能相变材料模块组成。每位避险人员配备一套相变服装和额外一套相变材料模块轮换使用。以22℃为基准,巷道温度不高于23℃的煤矿称为低温矿,高于26℃的称为高温矿。
  常态时,低温矿的硐室可以直接采用蓄能相变材料进行冷却,高温矿的相变材料需采用涡流制冷冷却;使相变材料一直保持固态备用。紧急状态下,避险人员进入舱内,蓄能相变材料缓释融化,吸收舱内热量。同时,避险者穿着相变恒温服,它可以维持避险者体表适宜温度,恒温服每套相变材料组块可以维持24~30℃4小时以上。两套相变材料组块可以轮换使用,避险者可将换下的组块放入小型的蓄冷箱中蓄冷,相变材料可在2~3小时内完成蓄冷工作。

精新相能引领硐室相变温控新技术


  避难硐室中每人所需要的相变材料数量M为:

精新相能引领硐室相变温控新技术

  3、相变材料在硐室中安装使用

相变材料在硐室中安装使用


  四、无源蓄能相变材料在避难硐室温控系统中七大优势
  1、无源相变材料控温,自然蓄冷,不需要任何电源,占用有效空间小,免维护;
  如果采用冰蓄冷设备作用降温冷源,则由于冰的熔点为0℃,井下环境温度无法保证其自然蓄冷,需要额外使用外接电源和压缩机制冷,以维持蓄冷状态,在闲置时必须保持压缩机工作状态,否则将给救生设备的使用带来风险。而采用24~26℃相变温度的无源相变材料可以利用结合自然温度条件自动蓄冷,无需外接电源,不会因为停电等原因使蓄冷材料失效,免维护的同时也降低了安全风险。
  2、增加使用有效空间大,和二氧化碳、冰蓄冷制冷对比大大节约了人力物力成本;
  无论是干冰(二氧化碳)制冷还是冰蓄冷,它们都不能在正常环境下存放:干冰需要贮存在高压容器内,冰蓄冷需要在压缩机循环制冷换热器内存放,都对贮存条件要求极为苛刻,在使用时同样也需要特定的换热系统,无形中增加了使用难度。而由于相变材料可以自然蓄冷,无需集中存放,可以随用随取,使用极为方便。
  3、相变蓄冷安全性高,不存在二氧化碳泄露造成的窒息性伤害、不存在断电造成蓄冷制冷失效;
  相变材料主要由各种无机盐和水复合而成,不含有任何对人体有害物质,主要通过材料自身化学反应吸收冷量,使用极为安全。
  4、相变材料可以重复使用1万次,相变温度点稳,30年不分层;
  北京精新相能科技有限公司自主研制开发的相变材料完全克服了无机相变材料的分层问题,材料性能极为稳定,可以重复使用超过1万次以上。
  5、不添加凝胶的相变材料,纯密度高,潜热值高出70%,吸收热量大,导热速度快290%,降温速度快;
  本相变材料不添加任何凝胶及增稠成分,确保相变材料全部为有效作用组分,其潜热和自身传热等性能均优于同类产品。
  6、零能耗,可将硐室温度控制在安全温度120小时;
  由材料科学合理的增大了换热面积,吸热降温过程中无需风机等设备强制对流即可实现快速降温,因此降温过程零能耗,有效节省了避难设施中有限的能量供应,完全能够达到避难设施所要求的120小时控温。
  7、相变材料可以营造最舒适的硐室温度,最大限度保证避险人员的生命安全。
  24~26℃相变温度很好的满足了避难硐室的控温要求,将室内温度控制在32℃以下,为避险人员提供最佳的生存环境,也为救援工作赢得了宝贵的时间,最大限度的保障井下人员的生命安全。

精新相能引领硐室相变温控新技术


  五、精新相能致力于硐室相变温控的发展。
  北京精新相能科技有限公司是国际领先的储热储冷解决方案供应商,是国内最大的蓄能相变材料研发生产企业拥有国内最优秀的企业管理和研发团队,精新相能的总部位于北京丽泽商务区,在燕郊经济技术开发区建有近两千平米的“储能产品生产基地”,主营高中低温相变储能材料、恒温箱、冷藏箱、冰板、冰盒、恒温带、降温带、恒温服、降温服、低温周转箱等产品的设计、生产加工,专业服务范围包括储能产品研发、工程安装施工等,产品应用涉及冷链运输、恒温服饰、设施农业、太阳能利用、低能耗建筑等行业。精新相能的核心技术——相变材料的储能温度范围从-60~995℃,产品性能稳定,技术国内领先。在立足储能材料的基础上,积极拓展开发相关应用产品:自主研发的系列冷藏保温箱能够保证“-18℃储存,三天不解冻”,“千里保鲜,精新呈现”;棚室智能供暖系统能够合理调配太阳能资源,使人们能够在寒冷的冬季享受到新鲜果蔬,恒温服饰系列产品使人们在炎炎夏日也能“如沐春风”。
  中国是世界第一产煤国,由于开采条件复杂、从业人数众多,中国也是煤矿事故发生数量较多的国家。煤矿安全问题引起党中央和人民的广泛关注。为了深入贯彻落实《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》精神,进一步提高煤矿安全保障能力,国家安全监管总局、国家煤矿安监局制定了《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》。该规定指出:2012年6月底前所有易燃矿井、2013年6月底前其他所有井工煤矿应按照规定要求配备救生舱、硐室等的煤矿井下紧急避险设备。并且所有避险设备必须维持额定人员至少96小时的待援时间。
  精新相能秉承“精于储能、创新价值”的核心理念,为客户优化储能解决方案,致力于提高能源利用效率,公司拥有完整、科学的质量管理体系,以质量求生存,以诚信谋发展,以提高能源利用效率为己任,欢迎各界朋友莅临参观、指导和业务洽谈。
  我们的目标客户包括PLC供应商、军民通讯基站、汽车配件销售商、冷藏运输商、果蔬肉储运商、超市、建筑公司、涂料生产商、太阳能设备制造商和空调冰箱制造商等。世界各国都在大力寻求该新型实用材料和技术,在中国及亚洲生产和研发无机相变材料产品仍属首例,在国内开发和应用这一类技术和材料有着巨大的社会和经济意义。