导热增强型熔融盐复合相变材料和蓄热装置及储能方法与流程

本发明涉及高温热利用与储能技术领域，尤其涉及一种导热增强型熔融盐复合相变材料和蓄热装置及储能方法。

背景技术：

储能作为能源利用的重要环节，对工业节能和可再生能源利用具有特别重要的作用。由于可再生能源间歇性和不能稳定供应的缺陷，能源的供应和需求之间，往往存在数量上、形态上和空间上的差异，不能满足工业化大规模连续供能的要求；工业是我国最大的终端用能消费部门，占全国能源消费总量的比重一直维持在70%左右，能源利用率大大低于先进国家，主要原因之一是间歇式高品质余热没有得到有效利用，因此必须发展高效蓄热技术。

蓄热技术的性能和成本，取决于传热蓄热介质材料性能以及蓄/放热过程设计和控制两方面，其主要发展思路是开发高蓄热密度、高使用温度、高蓄/放热速率、低成本、环境友好的蓄热介质材料，发展过程可控的蓄热方式，研究高性能工质的传输及蓄热机理。熔融盐具有热容量大、使用温度高、低蒸汽压、低粘度、化学稳定性好等一系列优点，兼具蓄热与传热功能，因而熔融盐传热蓄热技术将是高温热利用领域的发展重点。

单一的无机熔融盐或者几种熔融盐的混合物均存在导热系数低、相变过程体积变化较大的缺点，从而影响其实际应用。材料的复合化是材料发展的必然趋势之一，复合相变蓄热材料有利于结合显热与潜热蓄热材料的优点，为中高温相变材料的微封装防腐蚀技术提供了更新的思路。结构支撑材料有利于实现复合体的定型结构，同时导热强化材料的微纳米掺杂易于实现中高温蓄热材料的传热过程可调，提高蓄热材料的蓄/放热速率。材料的多尺度范围内的复合制备有利于平衡复合结构蓄热材料的结构特性、导热性能、蓄热性能三者之间的关系，开发高性能纳微复合结构蓄热材料对中高温蓄热领域，尤其是太阳能热发电、工业余热回收等领域有着重要意义。

虽然，专利号为01119014.0，专利名称为用于蓄热或蓄冷的蓄能复合材料的制备方法，公开了一种通过采用相变材料（PCM）对压缩的膨胀石墨基体进行真空浸渍，制备石墨基体和浸渍于所述基体中的PCM的用于蓄热或蓄冷的蓄能复合材料的方法，该方法主要是处于大气压力下且部分或完全浸渍在熔融PCM或者盐溶液中的基体被固定在浸渍容器内部，之后抽空浸渍容器直至基体中填充的PCM达到所要求的加入量，该方法虽然简单且廉价，但石墨残存的孔隙率太小，导致蓄热蓄冷效果不佳。

同时，申请号为02133310. 6的专利公开了一种金属基复合熔融盐蓄热材料的制备方法，该方法旨在提供一种孔隙率达到25-85%的显热蓄热材料，但从公开的文件来看，该技术方案是非常不完整的，我们并未从中得到任何实质性的技术启示如何获得孔隙率达到25-85%的显热蓄热材料。

还有，申请号为200910074633.6的专利公开了一种泡沫金属基高温相变蓄热复合材料及其制备方法，该技术主要是在泡沫金属骨架材料上附着有≥600℃时固-液相变蓄热材料，首先“附着”比较难实现，同时“附着力”难以得到保证，该方法很难适用于工业生产。

另外，申请号为201010527277.1的专利公开了一种多孔材料基体的制备方法，该方法主要是将含钙原料和含硅原料按摩尔比Ca ∶ Si ＝ 1 ∶ 0.4 ～ 1 称料混合，按原料总重量的20 ～ 40 倍添加水，搅拌并在180 ～ 320℃下保温4 ～ 12h，得到多孔材料料浆；待料浆冷却后，添加0％～ 5％的纳米金属粉，经干燥、成型后即制得多孔材料基体，将多孔材料基体浸入完全熔融后的无机盐相变材料中，使相变材料浸渗入多孔材料基体的孔道内；该方法造价偏高加工难度大，采用“浸入”的方法其实很难保证是否“均匀浸透”，质量难以得到保证，影响换热效果。

在利用熔融盐复合相变材料进行换热储能时，采用熔融盐斜温层单罐装置进行蓄热是一种液-固联合显热蓄热方式，有机地结合了液体良好的热传输性能与固体蓄热的低成本优点，利用密度与温度冷热的关系，在罐的中间形成一个温度梯度很大的自然分层，即斜温层，它像隔离层一样，使得斜温层以上熔融盐液保持高温，斜温层以下熔融盐液保持低温，随着熔融盐液的不断抽出，斜温层会上下移动，抽出的熔融盐液能够保持恒温，当斜温层到达罐的顶部或底部时，抽出的熔融盐液的温度会发生显著变化。为了维持罐内温度梯度分层，就必须严格控制熔融盐液的注入和出料过程，在罐内合理填充固体蓄热介质以及配置合适的成层设备，如浮动进口、环壳式换热器等，研究者发现拥有合适多孔介质填料的斜温层单罐间接蓄热系统很有发展优势。在蓄热技术领域，除了采用硅质砂、石英石、铁矿石等天然的固态蓄热介质外，合成制备的多孔功能材料、填充床由于可以有效地提高蓄/放热效率及蓄热容量，受到了研究者的广泛关注。

研究表明，在斜温层单罐蓄热过程中，填料的体积热容（ρc_p）是影响装置有效体积蓄热容量、斜温层厚度的重要因素。利用熔融盐类复合相变材料在一个很小的温度区间里具有较大相变潜热的特点，即具有很大的等效显热容，相当于将相变潜热折算成一个很大的显热容（c_p），从而弥补传统的硅质砂、石英石、铁矿石等固态蓄热介质的不足，有效提高蓄热容量。

因此，提供一种导热增强型熔融盐复合相变材料和配套的高温蓄热装置以及换热储能方法，具有重要的应用价值。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于熔融盐复合相变材料，利用高温蓄热装置进行储能的技术方案，尤指一种以斜温层蓄热单罐设计理念为基础，结合多孔基材/熔融盐复合材料的相变蓄热的导热增强型熔融盐复合相变材料和蓄热装置及储能方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种导热增强型的熔融盐复合相变材料，所述熔融盐复合相变材料的原材料包括基材和相变材料，所述的基材为多孔膨胀材料，可选用膨胀石墨，将可膨胀鳞片石墨干燥处理后，通过透入到石墨内的微波与石墨层间的极性分子相互作用转化为热能，从而使石墨内各部分在同一瞬间获得热量而升温，微波的频率范围为200～250 GHz，微波加热频率为2450 MHz，可膨胀石墨在高温下迅速分解或者汽化从而使石墨沿C轴发生剥离得到膨胀石墨；所述的相变材料为熔融盐，可选用硝酸盐，将硝酸钾、亚硝酸钠、硝酸钠以53:40:7的质量比混合配制得到Hitec三元硝酸熔盐；将按质量比配制好的三元混合硝酸盐倒入容器中充分搅拌混合均匀，加入适量去离子水，直至配制成饱和硝酸盐溶液，再加入制备好的膨胀石墨并充分搅拌均匀，膨胀石墨添加量为20%，使疏松多孔的膨胀石墨全部淹没于饱和硝酸盐溶液中；然后采用恒温90 ℃对混合物进行加热，加热期间使用电动搅拌器一直搅拌，直至饱和硝酸盐溶液中的水大部分蒸干，再采用恒温120 ℃对混合物进行加热，将剩余的水分完全蒸发，最后烘干即制得KNO₃-NaNO₂-NaNO₃ /膨胀石墨复合相变材料。

将所述的熔融盐复合相变材料用高导热系数及强度的外壳进行封装，制成高导热性能的熔盐蓄热球。

所述的多孔膨胀材料选用膨胀石墨或泡沫陶瓷或泡沫金属。

所述的熔融盐选用硝酸盐或氯化物或碳酸盐其中的一种或几种混合物。

一种基于导热增强型熔融盐复合相变材料的高温蓄热装置，所述的装置包括装置本体、蓄热球堆积系统、输入输出系统，其中蓄热球堆积系统设置在装置本体内部，输入输出系统包括上部分和下部分，上部分安装在装置本体的上部，下部分安装在装置本体的底部；所述的装置本体为两端开口的罐体结构，罐体包括外壳和内腔，罐体上端口在输入输出系统上部分的下方安装有均流板，罐体下端口在输入输出系统下部分的上方安装有均流支撑架，均流支撑架包括支撑座和支撑孔板，支撑底座安装在输入输出系统下部分的盖板上，支撑孔板安装在支撑座上；所述蓄热球堆积系统由若干个蓄热球组合单元构成，蓄热球组合单元由多个封装有熔融盐复合相变材料的蓄热球组成，蓄热球内部可封装不同相变温度的熔融盐复合相变材料，蓄热球基于斜温层单罐蓄热设计理念以填充床形式堆积在罐体内腔构成蓄热球组合单元，蓄热球组合单元之间通过均流板分隔，均流板是均布开设有通孔的金属板，以内嵌的形式安装在罐体内腔，保证换热工质能水平、均匀地从通孔自上往下或自下往上流动。

所述输入输出系统的上部分设置有管道结构，底部设置成端盖结构，罐体的上部端口设置有上端盖结构，通过螺栓将输入系统的端盖与罐体的上端盖固定连接，换热工质从管道口输入或输出。

所述的输入输出系统的下部分设置有管道结构，与罐体连接的部分设置成盖板结构，与罐体底部相匹配，采用焊接的方式将盖板与罐体底部密封固定连接。

所述的高温蓄热装置外部连接安装有加热保温系统，包括保温装置和加热装置。

一种基于导热增强型熔融盐复合相变材料的储能方法，所述包括以下步骤：

（1）蓄热阶段：在蓄热过程开始时，蓄热装置本体内腔内存在温度较低的流体及基于斜温层单罐蓄热设计理念以填充床形式堆积在罐体内腔构成的蓄热球组合单元，来自外部的高温换热工质从输入输出系统的上部分输入，流经均流板后水平、均匀地从上往下流动往罐体内腔注入，换热工质与蓄热球堆积床式的蓄热球组合单元进行热交换，将热量储存在蓄热球内，罐体内腔原有的低温流体根据蓄热量的不同，以斜温层蓄/放热的方式，部分或全部从底部的均流板流出；接着进入下一个蓄热球组合单元进行热交换，直至流经最底部的蓄热球组合单元进行热交换完毕，对应地，完成蓄热过程后的换热工质，全部或部分留在罐内，以显热形式储存一部分热量。置换流出的低温流体及换热工质从输入输出系统下部分的管道流出，经过外部集热设备或加热装置进行加热后，继续执行上述循环，直到蓄热过程结束。

（2）放热阶段：在放热阶段开始时，蓄热装置本体内腔内存在温度较高的流体及基于斜温层单罐蓄热设计理念以填充床形式堆积在罐体内腔构成的蓄热球组合单元，来自外部的低温换热工质从输入输出系统的下部分输入，流经均流板后水平、均匀地从下往上流动往罐体内腔注入，换热工质与蓄热球堆积床式的蓄热球组合单元进行热交换，蓄热球内部储存的热量释放给换热工质，罐内原有的高温流体根据放热量的不同，以斜温层蓄/放热的方式，部分或全部从输入输出系统的上部分流出；接着进入下一个蓄热球组合单元进行热交换，直至流经最顶部的蓄热球组合单元进行热交换完毕，对应地，完成放热过程后的换热工质，全部或部分留在罐内。置换流出的高温流体及换热工质经过外部用热设备进行放热后，继续执行上述循环，直到放热过程结束。

所述的蓄热球组合单元在罐体内可按照蓄热球封装的复合相变材料熔点高低梯级分布。

本发明的有益效果是：首先本发明的复合相变材料采用的基材是膨胀石墨，膨胀石墨是通过控制微波膨化中的微波的频率和微波加热频率制备得到高性能高孔径率膨胀石墨，同时采用Hitec三元硝酸熔盐作为相变材料，通过控制基材和相变材料的混合制备工艺参数得到KNO₃-NaNO₂-NaNO₃ /膨胀石墨复合相变材料，增强了材料的导热性能；同时采用不锈钢材质球形外壳材料对KNO₃-NaNO₂-NaNO₃ /膨胀石墨复合相变材料进行封装，由于膨胀石墨对熔融盐的吸附特性与定型效果，克服了熔融盐在蓄/放热过程中体积变化较大的缺陷，可将封装外壳里完全填充复合相变蓄热材料，避免因空隙的存在降低传热效率，从而制备出高导热性能熔盐蓄热球；然后通过合理设计高温蓄热装置以及外部连接安装的加热保温系统，以填充床形式堆积构成蓄热系统，在运行中利用熔融盐复合相变材料的潜热和流体的显热储存热能的储能方法，这种潜热/显热复合系统既保持着潜热储能密度大且能量输出稳定以及显热储能介质可与换热流体直接接触换热的优点，又克服了潜热储存系统需要耗费大量金属容器、管材以及存在熔盐腐蚀的缺点，提高工业适用性，可用于工业炉的蓄热器、炼铁热风炉以及聚焦式太阳能热发电的蓄热子系统等。

附图说明

图1是本发明中蓄热球的截面结构示意图。

图2是本发明中高温蓄热装置的分解结构示意图。

图3是本发明中高温蓄热装置的装配结构示意图。

图4是本发明中蓄热过程的原理示意图。

图5是本发明中放热过程的原理示意图。

附图标注说明：1-装置本体，11-外壳，12-内腔，13-上端盖，2-蓄热球堆积系统，21-蓄热球，211-复合相变材料，212不锈钢外壳，3-输入输出系统，31-上部分，32-下部分，311-端盖，321-盖板，33-管道，4-均流板，5-支撑座，6-支撑孔板。

具体实施方式

以下结合说明书附图1-5详细说明本发明的具体实施方式：

如图1所示，一种导热增强型的熔融盐复合相变材料，所述熔融盐复合相变材料的原材料包括基材和相变材料，基材采用多孔膨胀材料，如泡沫陶瓷或泡沫金属或膨胀石墨等。针对熔融盐导热系数偏低的缺陷，选用膨胀石墨作为多孔基材，作为相变材料的熔融盐选用硝酸盐或氯化物或碳酸盐其中的一种或几种混合物，经过大量实验证明，Hitec三元硝酸熔盐具有优秀的物理和化学属性，所以选用Hitec三元硝酸熔盐作为相变材料，然后将制得的基材和相变材料通过饱和水溶液法制备膨胀石墨/三元硝酸熔融盐复合相变蓄热材料。

所述的基材为膨胀石墨，将可膨胀鳞片石墨干燥处理后，通过透入到石墨内的微波与石墨层间的极性分子相互作用转化为热能，从而使石墨内各部分在同一瞬间获得热量而升温，微波的频率范围为200～250 GHz，微波加热频率为2450 MHz，可膨胀石墨在高温下迅速分解或者汽化从而使石墨沿C轴发生剥离得到膨胀石墨；本制备方法中经过大量实验得出试验参数与膨胀石墨性能的关系，通过控制微波的频率范围和微波加热频率得到高性能、高孔隙率的膨胀石墨。所述的相变材料为熔融盐，可选用硝酸盐将硝酸钾、亚硝酸钠、硝酸钠以53:40:7的质量比混合配制得到Hitec三元硝酸熔盐；将按质量比配制好的三元混合硝酸盐倒入容器中充分搅拌混合均匀，加入适量去离子水，直至配制成饱和硝酸盐溶液。

采用饱和水溶液法制备膨胀石墨/三元硝酸熔融盐复合相变蓄热材料：在烧杯里加入制备好的饱和硝酸盐溶液，再加入制备好的膨胀石墨并充分搅拌均匀，膨胀石墨添加量为20%，使疏松多孔的膨胀石墨全部淹没于饱和硝酸盐溶液中；然后将烧杯放到90 ℃的水浴锅中水浴加热，加热期间使用电动搅拌器一直搅拌，直至饱和硝酸盐溶液中的水大部分蒸干，再将烧杯放到120 ℃恒温电热套中，将剩余的水分完全蒸发，然后放入电热恒温鼓风干燥箱烘干；将烘干处理得到的块状样品研磨成小颗粒，即制得KNO₃-NaNO₂-NaNO₃ /膨胀石墨复合相变材料211，最后用高导热系数及强度的不锈钢外壳212进行封装，制成高导热性能的熔盐蓄热球21，由于膨胀石墨对熔融盐的吸附特性与定型效果，克服了熔融盐在蓄/放热过程中体积变化较大的缺陷，可将封装不锈钢外壳212内完全填充复合相变蓄热材料，避免因空隙的存在降低传热效率，从而制备出高导热性能熔盐蓄热球21。制备过程中，可通过调控膨胀石墨的添加量，制备出不同导热系数及蓄热密度的复合相变材料211；在本发明实验中，三元混合硝酸熔融盐导热系数为0.824 W·m^-1·K^-1，当加入膨胀石墨后，有效提高了复合相变材料211的导热性能，膨胀石墨添加量为20%的样品导热系数达到5.49 W·m^-1·K^-1，提高了6.66倍，并在热循环测试中表现出良好的热稳定性。

如图2-3所示，一种基于导热增强型熔融盐复合相变材料的高温蓄热装置，所述的装置包括装置本体1、蓄热球堆积系统2、输入输出系统3，其中蓄热球堆积系统2设置在装置本体1内部，输入输出系统3包括上部分31和下部分32，上部分31安装在装置本体1的上部，下部分32安装在装置本体1的底部；所述的装置本体1为两端开口的罐体结构，罐体包括外壳11和内腔12，外壳11为圆柱体或长方体结构，外壳11上下两端分别通过管道33与输入输出系统3相连，罐体上端口在输入输出系统3上部分31的下方安装有均流板4，罐体下端口在输入输出系统3下部分32的上方安装有均流支撑架，均流支撑架包括支撑座5和支撑孔板6，支撑底座安装在输入输出系统3下部分32的盖板321上，支撑孔板6安装在支撑座5上；均流板4和支撑孔板6均采用均匀加工有通孔的金属板，以内嵌的形式安装在罐体内腔12，保证换热工质能水平、均匀地从通孔自上往下或自下往上流动；所述蓄热球堆积系统2由若干个蓄热球21组合单元构成，蓄热球21组合单元由多个封装有熔融盐复合相变材料211的蓄热球21组成，蓄热球21内部可封装不同相变温度的熔融盐复合相变材料211，按照蓄热球21封装的复合相变材料211熔点高低梯级分布，蓄热球21基于斜温层单罐蓄热设计理念以填充床形式堆积在罐体内腔12构成蓄热球21组合单元，蓄热球21组合单元之间通过均流板4分隔，均流板4形成换热工质的水平、均匀流动通道，并起到一定的结构支撑作用，防止蓄热球21的相互挤压变形；输入输出系统3的上部分31设置有管道33结构，底部设置成端盖311结构，罐体的上部端口设置有上端盖13结构，通过螺栓将输入系统的端盖311与罐体的上端盖13固定连接，为了提高安装性和密封性，在输入系统的端盖311与罐体的上端盖13之间放置有垫圈，换热工质从管道33口输入或输出；输入输出系统3的下部分32设置有管道33结构，与罐体连接的部分设置成盖板321结构，与罐体底部相匹配，采用焊接的方式将盖板321与罐体底部密封固定连接，换热工质从管道33口输入或输出；所述的高温蓄热装置外部连接安装有加热保温系统，包括保温装置和加热装置，保温装置将整个高温蓄热装置包裹在里面，减少热损失，实现保温作用；加热装置的主要作用是对置换出来的在输入输出系统3管道33内的换热工质进行加热，由于Hitec硝酸熔融盐的凝固点为143℃，熔融盐流体在温度低于凝固点时便产生凝固，需要对输入输出系统3管道33、蓄热装置本体1及附件采取必要的预热和伴热措施，以免发生凝固堵塞现象。

如图4-5所示，一种基于导热增强型熔融盐复合相变材料的储能方法，所述包括以下步骤：

（1）蓄热阶段：在蓄热过程开始时，蓄热装置本体1内腔12内存在温度较低的流体及基于斜温层单罐蓄热设计理念以填充床形式堆积在罐体内腔12构成的蓄热球21组合单元，蓄热球21不完全将内腔12填充满，蓄热球21内部可封装不同相变温度的导热增强型熔融盐复合相变材料211，蓄热球21组合单元在装置本体1内可按照其内部复合相变材料211熔点高低梯级分布，来自外部设备的高温换热工质从输入系统输入，换热工质根据不同应用场合的温度要求可以选取导热油、熔融盐液体等，熔融盐传热流体依据使用温度范围，可选硝酸盐、氯化物、碳酸盐体系等，本实验中以Hitec硝酸熔融盐流体作为换热工质，换热工质从输入系统进入，流经均流板4后水平、均匀地从上往下流动往罐体内腔12注入，换热工质与蓄热球21堆积床式的蓄热球21组合单元进行热交换，将热量储存在蓄热球21内，罐体内腔12原有的低温流体根据蓄热量的不同，以斜温层蓄/放热的方式，部分或全部从底部的均流板4流出；接着进入下一个蓄热球21组合单元进行热交换，直至流经最底部的蓄热球21组合单元进行热交换完毕，对应地，完成蓄热过程后的换热工质，全部或部分留在罐内，以显热形式储存一部分热量。置换流出的低温流体及换热工质从输入输出系统3管道33流出，经过外部集热设备或加热装置进行加热后，继续执行上述循环，直到蓄热过程结束；更具体的是在蓄热过程开始时，蓄热装置内存在温度为T₀的低温Hitec硝酸熔融盐流体及蓄热球21堆积床，在初始时刻τ＝0开始，来自外部设备的温度为T_in（T_in >T₀）、速度为u_in的高温换热工质（Hitec硝酸熔融盐）从罐体上端的输入系统输入，经过均流板4分流与蓄热球21堆积床进行热交换，将热量储存在蓄热球21内，罐内原有的低温流体根据蓄热量的不同，以斜温层蓄/放热的方式，部分或全部从底端流出；对应地，完成蓄热过程后的换热工质，全部或部分留在罐内，以显热形式储存一部分热量。置换流出的低温流体及换热工质经过外部集热设备或加热装置加热后继续执行上述循环，直到蓄热过程结束。

（2）放热阶段：在放热阶段开始时，蓄热装置本体1内腔12内存在温度较高的流体及基于斜温层单罐蓄热设计理念以填充床形式堆积在罐体内腔12构成的蓄热球21组合单元，来自外部设备的低温换热工质从输入系统输入，流经支撑孔板6后水平、均匀地从下往上流动往罐体内腔12注入，换热工质与蓄热球21堆积床式的蓄热球21组合单元进行热交换，蓄热球21内部储存的热量释放给换热工质，罐内原有的高温流体根据放热量的不同，以斜温层蓄/放热的方式，部分或全部从上端流出；接着进入下一个蓄热球21组合单元进行热交换，直至流经最顶部的蓄热球21组合单元进行热交换完毕，对应地，完成放热过程后的换热工质，全部或部分留在罐内；置换流出的高温流体及换热工质经过外部用热设备进行放热后，继续执行上述循环，直到放热过程结束；更具体的是，在放热阶段开始时，罐体内存在温度为T₀的高温Hitec硝酸熔融盐流体及蓄热球21堆积床，在初始时刻τ＝0开始，温度为T_in（T_in <T₀）、速度为u_in的低温换热工质（Hitec硝酸熔融盐）从罐体底端均匀输入，与蓄热球21堆积床进行热交换，蓄热球21内部储存的热量释放给换热工质，罐内原有的高温流体根据放热量的不同，以斜温层蓄/放热的方式，部分或全部从上端流出；对应地，完成放热过程后的换热工质，全部或部分留在罐内，置换流出的高温流体及换热工质经过外部用热设备放热后继续执行上述循环，直到放热过程结束。

本发明可应用于高温热利用场合，例如以熔融盐作为传热蓄热介质的聚焦式太阳能热发电系统，替代传统的熔融盐双罐蓄热方式。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制，本行业的技术人员，在本技术方案的启迪下，可以做出一些变形与修改，凡是依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。