Материал с изменяемым фазовым состоянием на основе бромида стронция

Изобретение относится к материалу с фазовым переходом (РСМ) для использования в системах хранения энергии. Материал с фазовым переходом (РСМ) содержит бромид стронция и по меньшей мере один галоид металла, РСМ обладает фазовым переходом в диапазоне температур в пределах приблизительно от 76°С до 88°С. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 пр.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к материалу с фазовым переходом (РСМ) для использования в системах хранения энергии. В частности, настоящее изобретение относится к материалу с фазовым переходом, содержащим бромид стронция и галоид металла, оптимальному для хранения тепла в диапазоне температур приблизительно от 76°С до 88°С.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В области материалов с изменяемым фазовым состоянием существует проблема получения материала с изменяемым фазовым состоянием с фазовым переходом в диапазоне температур приблизительно от 75°С до 80°С. Это обусловлено тем, что в этом температурном диапазоне наблюдается умеренное инконгруэнтное плавление составов, например гексагидрата бромида магния.

Гексагидрат бромида стронция обладает конгруэнтной точкой плавления 88°С и ранее редко, если вообще, использовался в качестве РСМ. Единственное упоминание о нем имеется в уровне техники у Lane - ведущего эксперта в данной области [Lane G.A.: Solar Heat Storage: Latent Heat Material - Volume I: Background and Scientific Principles, CRC Press, Florida (1983)] - который отверг его по причине слишком высокой стоимости. Также имеется упоминание о гексагидрате бромида стронция в патенте US 4003426, где хоть и имеется информация об использовании гексагидрата бромида стронция в качестве материала с изменяемым фазовым состоянием, однако не раскрывается его использование в сочетании с галоидом металла.

По этой причине в области материалов с изменяемым фазовым состоянием прикладываются значительные усилия для нахождения такого материала, у которого фазовый переход происходит в диапазоне температур приблизительно от 76°С до 88°С и который способен эффективно работать. Подобное изменение температуры для фазового перехода чрезвычайно полезно для систем хранения энергии, которые могут использоваться на рынке домашних отопительных систем.

Задачей, по меньшей мере, одного из аспектов настоящего изобретения является устранение или минимизация, по меньшей мере, одной или более из вышеупомянутых проблем.

Дополнительной задачей, по меньшей мере, одного из аспектов настоящего изобретения является разработка материала с изменяемым фазовым состоянием с фазовым переходом в диапазоне температур приблизительно от 76°С до 88°С.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается материал с изменяемым фазовым состоянием (РСМ), содержащий:

бромид стронция; и,

по меньшей мере, один галоид металла;

причем РСМ обладает фазовым переходом в диапазоне температур в пределах приблизительно от 76°С до 88°С.

В целом, настоящее изобретение, таким образом, заключается в обеспечении РСМ с фазовым переходом в диапазоне температур в пределах приблизительно от 76°С до 88°С. Это делает РСМ чрезвычайно пригодным для систем хранения энергии, подобных тем, что описаны в WO 2009/138771 и WO 2011/058383, которые включены в настоящее описание посредством ссылок.

Таким образом, РСМ в соответствии с настоящим изобретением основан на смеси бромида стронция и галоида металла, такого как бромид магния или его гидрат. Альтернативами бромиду магния могут являться любой из следующих бромидов, или их гидратов, или их комбинация:

бромид цинка;

бромид кобальта;

бромид лития;

бромид натрия;

бромид калия;

бромид кальция;

бромид железа;

бромид меди; и

бромид алюминия.

Альтернативами бромиду магния могут быть любые смешивающиеся органические соединения.

Кроме того, могут также использоваться хлориды стронция.

Как правило, бромид стронция и, по меньшей мере, один галоид металла могут быть в гидратированной форме.

Вместо гексагидратов могут использоваться безводный бромид стронция (CAS: 100476-81-0) и безводный бромид магния (CAS: 7789-48-2) в качестве исходных компонентов. В этом случае для получения конечного РСМ должна добавляться вода.

Бромид стронция может присутствовать в количестве от примерно 20-50 мас. % и предпочтительно примерно 30-35 мас. %.

Галоид металла может присутствовать в количестве от примерно 50-85 мас. % и предпочтительно примерно 65-70 мас. %.

Например, предпочтительным вариантом осуществления может быть состав из примерно 25-35 мас. % или предпочтительно 32 мас. % MgBr₂⋅H₂O; примерно 55-75 мас. % или предпочтительно примерно 65 мас. % SrBr₂⋅H₂O; и примерно 1-5 мас. % или предпочтительно примерно 3 мас. % воды. Было установлено, что РСМ, содержащий 32 мас. % MgBr₂⋅Н₂O, 65 мас. % SrBr₂⋅Н₂O и 3 мас. % воды, обладает фазовым переходом приблизительно при 77°С.

В составах, содержащих примерно 30-35 мас. % гексагидрата бромида магния и примерно 65-70 мас. % бромида стронция, фазовый переход происходит при 75-80°С. Эта температура важна для применения материалов с изменяемым фазовым состоянием, например, в системах хранения энергии.

Было установлено, что минимальная точка плавления у состава 32 мас. % MgBr₂⋅Н₂O, 65 мас. % SrBr₂⋅Н₂O и 3 мас. % воды составляет около 77°С.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается процесс получения РСМ, включающий:

обеспечение бромида стронция; и

обеспечение, по меньшей мере, одного галоида металла;

смешивание указанных бромида стронция и, по меньшей мере, одного галоида металла вместе;

при этом РСМ обладает фазовым переходом в диапазоне температур в пределах приблизительно от 76°С до 88°С.

Бромид стронция и галоид металла могут смешиваться друг с другом в смесительной камере или внутри теплового аккумулятора, если указанный РСМ получают непосредственно в готовом тепловом аккумуляторе.

Во время смешивания температура смесительной камеры или внутреннего пространства теплового аккумулятора может повышаться до температуры, превышающей температуру фазового перехода приблизительно на 2-5°С (например, на 3°С), и удерживаться на этом уровне для расплавления материалов.

Получаемая смесь может рыхлиться/перемешиваться, пока не станет жидкой и гомогенной.

Альтернативно, исходя из безводных форм, далее может использоваться следующий процесс:

1) Смешивание безводного бромида стронция и безводного галоида металла (например, безводного бромида магния) в правильном соотношении с необязательно другим веществом, снижающим температуру фазового перехода, в соответствии с требуемой температурой фазового перехода.

2) Добавление горячей воды в правильном соотношении для получения материала с требуемой температурой фазового перехода, при температуре, выше требуемой конечной температуры фазового перехода для расплавления двух компонентов. Альтернативно, добавление воды в правильном соотношении для получения материала с требуемой температурой фазового перехода при температуре, ниже требуемой конечной температуры фазового перехода, и повышение температуры смесительной камеры или внутреннего пространства теплового аккумулятора (если РСМ получают непосредственно в готовом тепловом аккумуляторе) до температуры, превышающей температуру фазового перехода приблизительно на 2-5°С (например, на 3°С), с поддержанием этой температуры для расплавления материалов.

3) Перемешивание смеси, пока она не станет жидкой и гомогенной.

РСМ может быть таким, как определено в первом аспекте.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее приводится описание воплощений осуществления настоящего изобретения, представленное исключительно на примерах, со ссылкой на сопровождающие чертежи, в которых:

Фиг. 1 - отражает взаимосвязь между процентной долей гексагидрата бромида стронция против температуры фазового перехода.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

В целом, настоящее изобретение заключается в предоставлении материала с фазовым переходом, который является оптимальным для хранения тепла в диапазоне температур приблизительно от 76°С до 88°С.

Материал с изменяемым фазовым состоянием (РСМ) в соответствии с настоящим изобретением основан на смеси бромида стронция и галоида металла, такого как, бромид магния. Альтернативами бромиду магния могут являться любой из следующих бромидов, или их гидратов, или их комбинация:

бромид цинка;

бромид кобальта;

бромид лития;

бромид натрия;

бромид калия;

бромид кальция;

бромид железа;

бромид меди; и

бромид алюминия.

Кроме того, также могут использоваться хлоридные соли стронция.

Пример 1

Ниже приводится не имеющий ограничительного характера пример получения РСМ в соответствии с настоящим изобретением,

а) Исходя из гексагидратов:

1) Смешать два компонента в правильном соотношении в соответствии с требуемой температурой фазового перехода.

2) Повысить температуру смесительной камеры или внутреннего пространства теплового аккумулятора (если РСМ получают непосредственно в готовом тепловом аккумуляторе) до температуры, превышающей температуру фазового перехода приблизительно на 2-5°С (например, на 3°С), и поддерживать эту температуру для расплавления материалов.

3) Перемешивать смесь, пока она не станет жидкой и гомогенной.

b) Исходя из безводных форм:

1) Смешать безводный бромид стронция и безводный бромид магния (или другое вещество, понижающее температуру фазового перехода) в правильном соотношении в соответствии с требуемой температурой фазового перехода.

2) Добавить горячую воду в правильном соотношении для получения материала с нужной температурой фазового перехода при температуре, выше требуемой конечной температуры фазового перехода для расплавления двух компонентов. Альтернативно, добавить воду в правильном соотношении для получения материала с требуемой температурой фазового перехода при температуре, ниже требуемой конечной температуры фазового перехода, и повысить температуру смесительной камеры или внутреннего пространства теплового аккумулятора (если РСМ получают непосредственно в готовом тепловом аккумуляторе) до температуры, превышающей температуру фазового перехода приблизительно на 2-5°С (например, на 3°С), и поддерживать эту температуру для расплавления материалов.

3) Перемешивать смесь, пока она не станет жидкой и гомогенной.

В составах, содержащих примерно 30-35 мас. % бромида магния гексагидрата и примерно 65-70 мас. % бромида стронция, фазовый переход происходит при 75-80°С. Эта температура важна для применения материалов с изменяемым фазовым состоянием.

Было установлено, что минимальная точка плавления имеется у состава, содержащего 32 мас. % MgBr₂⋅Н₂O, 65 мас. % SrBr₂⋅Н₂O и 3 мас. % воды, и составляет около 77°С.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРИМЕРЫ

Следующие не имеющие ограничительного характера примеры, приведенные в экспериментальной части заявки, касаются РСМ с составом MX ⋅ nН₂O с различными количествами смешиваемого органического соединения, а также процессов для их получения.

SrBr₂ ⋅ 6 H₂O:

Пример 2: Добавление глицерина к гексагидрату бромида стронция для понижения точки плавления

Были приготовлены тестовые образцы гексагидрата бромида стронция (поставленного компанией Sunamp) и глицерина (предлагаемого компанией VWR, номер CAS 56-81-5), начиная с состава, содержащего 100% гексагидрата бромида стронция и до молярного соотношения 1:1, с использованием их масс, указанных ниже. После этого образцы были нагреты до 95°С при перемешивании для получения гомогенной смеси. После охлаждения и затвердевания образцы образовали одну фазу.

При наблюдении за плавлением и охлаждением указанных материалов (нагревание на водяной бане до 95°С до полного расплавления материалов, и затем охлаждение до комнатной температуры на воздухе с регистрацией температуры материала с помощью термопары) было установлено, что температура плавления последовательно снижалась с повышением количества глицерина. Повторение циклов плавления и охлаждения подтвердило, что точка плавления и затвердевания бромида стронция понижалась при добавлении глицерина. Степень ее понижения и соответствующие молярные и массовые доли глицерина указаны ниже.

Пример 3: Добавление триметилолэтана (ТМЕ) к гексагидрату бромида стронция для понижения точки плавления

Тестовые образцы гексагидрата бромида стронция и ТМЕ (предлагаемого компанией Fischer Scientific Ltd., номер CAS 77-85-0) были приготовлены с использованием соотношений, указанных ниже, и тем же способом, как и в Примере 1.

Температура во время плавления и затвердевания материалов регистрировалась тем же способом, какой был указан в Примере 2. Как видно из Примера 2, с увеличением количества ТМЕ наблюдалось еще большее понижение точки плавления и затвердевания.

Пример 4: Добавление ацетамида к гексагидрату бромида стронция для понижения точки плавления

Тестовые образцы бромида стронция и ацетамида (предлагаемого компанией Alfa Aesar, номер CAS 77-85-0) были приготовлены с использованием соотношений, указанных ниже, и тем же способом, как и в Примере 2.

Хотя выше были описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что отклонения от описанных вариантов осуществления могут по-прежнему находиться в рамках объема настоящего изобретения. Например, может использоваться любой подходящий тип смеси бромида стронция и галоида металла наряду с дополнительными компонентами, если это будет необходимо. Количество каждого компонента может изменяться в соответствии с требуемой температурой фазового перехода.

1. Материал с фазовым переходом (РСМ), содержащий

бромид стронция и

по меньшей мере один галоид металла,

отличающийся тем, что РСМ обладает фазовым переходом в диапазоне температур в пределах приблизительно от 76°С до 88°С.

2. Материал с фазовым переходом (РСМ) по п. 1, отличающийся тем, что РСМ может использоваться в системе хранения энергии.

3. Материал с фазовым переходом (РСМ) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что галоид металла представляет собой бромид магния или его гидратную форму.

4. Материал с фазовым переходом (РСМ) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что галоид металла представляет собой любой из следующих бромидов, или их гидратов, или их сочетания:

бромид магния,

бромид цинка,

бромид кобальта,

бромид лития,

бромид натрия,

бромид калия,

бромид кальция,

бромид железа,

бромид меди, и

бромид алюминия.

5. Материал с фазовым переходом (РСМ) по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что РСМ также содержит хлоридные соли стронция.

6. Материал с фазовым переходом (РСМ) по п. 1, отличающийся тем, что бромид стронция присутствует в количестве от примерно 20-50 мас. % или примерно 30-35 мас. %.

7. Материал с фазовым переходом (РСМ) по п. 1, отличающийся тем, что галоид металла присутствует в количестве от примерно 50-85 мас. % или примерно 65-70 мас. %.

8. Материал с фазовым переходом (РСМ) по п. 1, отличающийся тем, что РСМ содержит примерно 25-35 мас. % или 32 мас. % MgBr₂⋅H₂O, примерно 55-75 мас. % или примерно 65 мас. % SrBr₂⋅H₂O и примерно 1-5 мас. % или примерно 3 мас. % воды.

9. Материал с фазовым переходом (РСМ) по п. 1, отличающийся тем, что РСМ содержит 32 мас. % MgBr₂⋅H₂O, 65 мас. % SrBr₂⋅H₂O и 3 мас. % воды и обладает фазовым переходом при температуре примерно 77°С.

10. Способ получения РСМ, включающий в себя

обеспечение бромида стронция, и

обеспечение по меньшей мере одного галоида металла,

смешивание указанных бромида стронция и по меньшей мере одного галоида металла друг с другом,

отличающийся тем, что РСМ обладает фазовым переходом в диапазоне температур в пределах приблизительно от 76°С до 88°С.

11. Способ получения РСМ по п. 10, отличающийся тем, что бромид стронция и галоид металла смешивают друг с другом в смесительной камере или внутри теплового аккумулятора, если РСМ получают непосредственно в готовом тепловом аккумуляторе.

12. Способ получения РСМ по п. 11, отличающийся тем, что во время смешивания температура смесительной камеры или внутреннего пространства теплового аккумулятора повышается до температуры, превышающей температуру фазового перехода примерно на 2-5°С (например, на 3°С), и поддерживается на этом уровне для расплавления материалов.

13. Способ получения РСМ по п. 12, отличающийся тем, что получаемая смесь рыхлится/перемешивается, пока не станет жидкой и гомогенной.

14. Способ получения РСМ по любому из пп. 10-13, отличающийся тем, что при его получении на основе безводных форм процесс включает в себя

1) смешивание безводного бромида стронция и безводного галоида металла, например безводного бромида магния, в правильном соотношении с необязательно другим веществом, снижающим температуру фазового перехода, в соответствии с требуемой температурой фазового перехода.

2) добавление горячей воды в правильном соотношении для получения материала с требуемой температурой фазового перехода при температуре, выше требуемой конечной температуры фазового перехода, для расплавления двух компонентов или, альтернативно, добавление воды в правильном соотношении для получения материала с нужной температурой фазового перехода при температуре, ниже требуемой конечной температуры фазового перехода, и повышение температуры смесительной камеры или внутреннего пространства теплового аккумулятора, если РСМ получают непосредственно в готовом тепловом аккумуляторе, до температуры, превышающей температуру фазового перехода примерно на 2-5°С, например на 3°С, и удерживания этой температуры для плавления материалов, и

3) перемешивание смеси, пока она не станет жидкой и гомогенной.