一种基于多温区定型复合相变材料的水表防冻保护套及其制备方法与流程

本发明涉及供水设备防冻保护，具体为一种基于多温区定型复合相变材料的水表防冻保护套及其制备方法。

背景技术：

1、水表是供水系统中用于计量用水量的重要仪表设备，通常安装于室外水表井、水表箱或外墙暴露位置。在我国北方地区及西南高原地区如贵州、云南等高海拔区域，冬季气温经常降至0°c以下，极端情况下可达-10°c甚至更低。当环境温度降至水的冰点以下时，水表壳体内的存水会发生冻结体积膨胀，结冰时体积增大约9%，从而导致水表玻璃罩胀裂、机芯变形损坏、管路接头渗漏等故障，严重影响供水计量系统的正常运行，造成巨大的维修更换经济损失和供水中断问题。

2、目前，常用的水表防冻措施主要包括以下几类：（1）保温包裹法：使用棉絮、泡沫塑料、橡塑海绵等传统保温材料包裹水表。这类方法的缺点是仅能减缓热量散失速率，无法主动提供热量，在长时间极低温环境下仍无法有效阻止水表温度降至冰点以下。（2）电伴热法：在水表周围缠绕电伴热带，通过电力加热维持水表温度。该方法效果可靠但存在能耗大、需要配套供电设施、安装维护成本高等问题，且在野外无电源场合难以实施，还存在电气安全隐患。（3）深埋法：将水表埋深至冰冻线以下。该方法需要开挖较深的管沟，施工难度大、成本高，且给后续检修抄表带来极大不便，在城市密集区和岩石地质区域实施困难。（4）排水法：在不用水时排空水表内的存水。该法操作繁琐，用户参与度高，难以保证每户都能及时执行，且频繁排空会影响计量精度和管网水质。（5）相变材料防冻技术：近年来，部分研究尝试将相变材料应用于管道和水表防冻。例如，专利cn222231777u公开了一种防冻检修水表箱，将管道元器件设置在保温箱体与保温盖体内，并通过防冻箱、相变储热层和电加热管进行加热，然后通过内保温层进一步进行保温，使得管道元器件不会被冻。专利cn111322466a公开了一种基于pcm的管道用被动式零能耗防冻装置，采用工作管→防腐层→pcm层→套管→绝热层的多层包裹结构，pcm层内灌注常温为液体的相变介质，利用pcm相变释放潜热实现被动式零能耗防冻。以上相变材料均采用单一温度的相变介质，仅在某一特定温度点发生相变，温度缓冲范围有限，当环境温度持续下降超过相变温度后即失去防护能力；此外相变材料未经定形处理，在反复固-液相变过程中存在泄漏风险，影响长期使用的可靠性。因此，在现有技术中，对单一相变材料存在的技术问题进行改进，也出现了实现多温区保温的相变材料，如专利cn120389159a公开了一种基于光热相变材料的锂离子电池多温区热管理系统，通过设置多个相变材料池形成不同温度区间的相变储能区域，实现对目标对象的温度调节，然而，该现有技术存在以下不足：1.多温区相变为多个独立设置的相变材料池分别进行热管理，各相变材料之间缺乏有效协同，相变放热的空间分布不可控，当某一温区的相变材料放热完毕后，该区域温度迅速下降；2.其相变材料直接填充于相变材料池中，相变过程中存在液态泄漏风险。此外，为解决固-液相变材料的液相泄漏问题，现有技术中也公开了将相变材料进行吸附的技术，如专利cn118879281a公开了一种多孔碳基多功能复合相变材料及其制备方法，通过将相变材料负载于多孔碳载体表面及孔道内，利用多孔碳载体表面的活性基团吸附相变材料，防止相变材料在相变过程中的液相泄漏。该技术虽能有效解决相变材料泄漏问题，但存在以下不足：1.其多孔碳载体仅作为相变材料的吸附载体发挥防泄漏功能，未揭示多孔载体与相变材料之间在热管理性能上的协同作用；2.其相变材料为单一组分，无法实现多温度区间的协同控温。

3、综上所述，现有技术中虽已公开多温区相变保温技术和多孔吸附固定相变材料的技术，但均未解决以下技术问题：如何使多孔吸附载体在发挥吸附固定作用的同时，还能与多温区相变材料形成热管理性能上的协同，实现相变放热的稳定空间分布，使各温区相变材料在不同低温阶段有序释放热量，从而为水表等计量仪表提供持续、稳定的防冻保护。因此，亟需提供一种多孔吸附载体与多温区相变材料协同作用的多温区相变保温装置及其制备方法，以实现相变放热的稳定空间分布和持续高效的防冻保护。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于多温区定型复合相变材料的水表防冻保护套及其制备方法，本方案能够解决现有技术中多孔吸附载体在发挥吸附固定作用的同时，不能与多温区相变材料形成热管理性能上的协同、不能实现相变放热的稳定空间分布，从而使各温区相变材料在不同低温阶段不能有序释放热量。因此，本方案通过改进，在水表防冻保护套的有限空间内，实现从常温降至冰点以下的宽温域范围内持续、稳定、无泄漏的防冻保护，同时兼顾结构的紧凑性和安装的便捷性。

2、第一方面，本发明提供了一种基于多温区定型复合相变材料的水表防冻保护套，包括外层保护壳体、设置于所述外层保护壳体内部的内层相变储能层、以及用于密封所述内层相变储能层的密封封装结构，所述内层相变储能层由至少两种不同相变温度的定型复合相变材料分区布置或层叠组合而成；所述定型复合相变材料包括低温有机相变工质和多孔吸附载体，所述低温有机相变工质被吸附固定于所述多孔吸附载体的孔隙结构中。

3、进一步的，所述定型复合相变材料的相变温度至少覆盖1±0.5°c、2±0.5°c、3±0.5°c中的两个温度区间。

4、进一步的，所述内层相变储能层由三种不同温区的定型复合相变材料组成，所述三种不同温区的定型复合相变材料分别为相变温度为1±0.5°c的第一温区定型复合相变材料、相变温度为2±0.5°c的第二温区定型复合相变材料、以及相变温度为3±0.5°c的第三温区定型复合相变材料；三种定型复合相变材料沿所述外层保护壳体的径向方向由内至外按相变温度从低到高顺序分层排布，或沿轴向方向分段排布。

5、进一步的，所述第一温区定型复合相变材料中，低温有机相变工质的配方为正十四烷与正辛酸的共晶混合物，其中正十四烷与正辛酸的质量比为(45~55):(55~45)；所述第二温区定型复合相变材料中，低温有机相变工质的配方为正十二烷与正十四烷的二元混合物，其中所述正十二烷与正十四烷的质量比为(60~70):(40~30)；所述第三温区定型复合相变材料中，低温有机相变工质的配方为正十二烷与正十四烷的混合物，其中正十二烷与正十四烷的质量比为(45~55):(55~45)。

6、进一步的，所述多孔吸附载体选自膨胀石墨、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩中的一种或多种；所述低温有机相变工质与所述多孔吸附载体的质量比为(40~70):(60~30)；

7、进一步的，所述三种不同温区的定型复合相变材料中，均含有成核剂，所述成核剂选自纳米二氧化硅、纳米氧化铝、石墨粉、碳纳米管、金属粉末中的一种或多种；所述成核剂的添加量为该温区中所述低温有机相变工质质量的0.5%~5%。

8、进一步的，所述外层保护壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体与下壳体的一侧通过铰接结构连接，另一侧通过可拆卸结构连接；所述可拆卸连接为卡扣连接、螺纹连接、法兰连接中的一种；所述外层保护壳体两端设有开口；所述密封封装结构包括设置于所述外层保护壳体两端开口内的端部密封盖、设置于开口内壁上的弹性密封圈、以及设置于所述上壳体与下壳体可拆卸连接侧的接合面上的密封槽；其中，所述端部密封盖中央设有供水表接管穿过的中心孔；所述密封槽内嵌有橡胶密封条。

9、进一步的，所述内层相变储能层的整体厚度为5~30mm；所述内层相变储能层与所述外层保护壳体的内壁之间设有导热粘接层，所述导热粘接层为导热硅胶或导热环氧树脂，厚度为0.5~2mm。

10、进一步的，还包括温度监测模块，所述温度监测模块包括设置于所述内层相变储能层与所述水表外壁之间的温度传感器，以及与所述温度传感器电连接的信号输出单元；所述信号输出单元包括微控制器、供电电路及输出装置，所述微控制器用于接收和处理温度传感器的数据；所述供电电路用于为微控制器和温度传感器供电；所述输出装置用于输出温度状态信息。

11、第二方面，本发明提供了一种基于多温区定型复合相变材料的水表防冻保护套的制备方法，包括以下步骤：

12、s1. 制备不同温区的低温有机相变工质：按照目标相变温度要求，将不同温区的原料混合并搅拌均匀，得到相应温区的低温有机相变工质；

13、s2. 预处理多孔吸附载体：将多孔吸附载体在80～120°c条件下干燥2～4小时，去除吸附水分，得到干燥的多孔吸附载体；

14、s3. 真空浸渍复合：将步骤s1制得的低温有机相变工质加热至熔融状态，然后将步骤s2得到的干燥多孔吸附载体置于真空浸渍容器中，抽真空至-0.08～-0.1mpa，保持15～30分钟后引入熔融状态的低温有机相变工质，在真空条件下浸渍30～60分钟，使所述低温有机相变工质渗入所述多孔吸附载体的孔隙中；

15、s4. 冷却定形：解除真空，取出浸渍后的复合材料，冷却至室温，去除表面多余的未吸附低温有机相变工质，得到定型复合相变材料；

16、s5. 成型加工：将步骤s4得到的定型复合相变材料加工成与外层保护壳体内腔形状匹配的构件，或者将所述定型复合相变材料直接填充入所述外层保护壳体的内腔中并压实；

17、s6. 组装封装：将成型后的各温区定型复合相变材料按预设排布方式装入所述外层保护壳体内部，并安装密封封装结构。

18、与现有技术相比，本方案具有以下有益效果：

19、1.多孔吸附载体与有机相变工质的协同固定作用：本发明通过选择极性相近的有机相变工质如正十二烷、正十四烷及其混合物与多孔吸附载体配合，利用有机相变工质与多孔载体之间的分子间作用力增强吸附稳定性。同时，有机相变工质本身具有较高的粘度特性，在低温下流动性较低，进一步降低了从多孔载体孔隙中渗出的风险。这种材料选择协同使得定型复合相变材料在多次冷热循环后仍能保持良好的形状稳定性，避免了液相泄漏问题。

20、2.多相变温度组合的空间分布优化作用：本发明通过分区布置或层叠组合的方式布置不同相变温度的定型复合相变材料，使各温度区间的相变放热在空间上形成互补。例如，当外层相变材料放热完毕后，内层相变材料仍可继续放热，形成由内而外的温度梯度保护。这种空间分布协同显著延长了保温时间，与单纯依靠相变材料自身潜热的方案相比，保温时长可提升一倍以上。

21、3.多温区相变材料的序贯放热协同作用：本发明设置至少两种相变温度的定型复合相变材料如1°c、2°c、3°c区间，各温区相变材料在不同的低温阶段依次发生相变放热。具体地，当环境温度首先降至1°c区间时，覆盖该温度区间的相变材料首先凝固放热，为水表提供第一阶段防冻保护；当环境温度进一步降低至2°c或3°c区间时，相应温区的相变材料依次参与相变放热，形成"逐级接力"的保温机制。这种温度区间协同避免了单一相变材料放热完毕后温度迅速下降的问题，实现了相变放热的持续性和稳定性。

22、4.多孔吸附载体的热传导调控作用：本发明选用的多孔吸附载体如多孔碳材料、硅藻土、膨胀石墨等本身具有一定的热导率，能够在相变材料凝固放热时形成热传导通道，引导相变放热沿载体结构均匀分布，避免局部热量堆积或放热不均。这种结构-功能协同使得定型复合相变材料的放热过程更加可控，提高了保温效率。

23、5.定型复合相变材料的可维护性和可更换性：由于多孔吸附载体将有机相变工质牢固吸附固定，即使外层密封结构因老化或破损而失效，有机相变工质也不会立即流失，便于后期的维护和更换。

24、6. 结构设计合理，工程适用性强：本发明的保护套采用拆卸式外壳设计，可在不停水、不拆除水表的条件下直接在现场套装安装，相比于cn222231777u的箱式结构体积更小、安装更便捷；两端开口配合弹性密封圈的设计兼容各种口径的水表接管；整体结构紧凑、重量轻，便于运输和存储。

25、7. 针对关键防冻温区的专用相变材料配方：本发明针对水表防冻的关键温区0~5°c，系统研发了基于正十二烷/正十四烷/正辛酸的复合相变材料配方体系。1°c相变材料采用正十四烷与正辛酸的共晶体系，2°c和3°c相变材料采用正十二烷与正十四烷的不同配比混合体系，经过dsc测试验证，相变温度精度控制在±0.5°c以内，相变潜热保持在180 j/g以上。该配方体系能够在冰点附近的亚零度温区实现精准的温度缓冲保护，这是现有技术中未曾公开的。