一种储热-换热设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种储热-换热设备，包括1个或多个阵列布置的储热-换热单元；其特征在于，每个所述储热-换热单元包括储热壳体、置于所述储热壳体内部的储热材料以及布置于所述储热材料中的换热装置；所述储热-换热单元通过所述换热装置进行热量的输入及输出；所述储热材料为液态显热储热材料或液态与固态的不同物质混合使用的显热储热材料或可固-液态转换使用的相变储热材料；所述储热壳体为固态具有显热储热能力的材料；所述换热装置包括贯通的换热管道；所述储热-换热设备外部布置保温绝热材料。该储热-换热设备能实现热量的输入、热量的存储及热量的输出等功能；具有成本低、温度参数利用范围广；结构简单，可模块化车间生产，运输方便和现场安装简易等特点，可应用于多个领域。
【专利说明】一种储热_换热设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种储热-换热设备，尤其涉及一种应用于太阳能领域的储热-换热设备。
【背景技术】
[0002]随着社会的发展，化石能源的枯竭不可避免，这就意味着在能源消耗殆尽之前，人类必须找到新的替代能源——可再生能源。在所有可再生清洁能源中，太阳能等是被各国专家都看好的未来替代能源。
[0003]太阳能辐射的一个明显的特点是受昼夜、季节等规律性变化的影响，以及阴晴云雨等随机因素的制约。为了克服太阳能辐射的不连续性，太阳能利用系统中都会采用蓄热系统。目前使用的蓄热材料分为:显热型、潜热型和化学反应型3大类，应用较广泛的为显热型和潜热型，主要有导热油、耐高温混凝土、无机盐等。导热油在高温时蒸汽压力大，对设备承压能力要求较高，易引发火灾，易老化，价格昂贵；耐高温混凝土作为储热材料，有很好的应用前景，安全稳定，成本低廉，但存在导热系数较低，换热管道数量多，温度持续下降，无法获得较高的参数等不足，换热管道与固体材料间由于膨胀系数不同，会在反复升温降温后出现材料破坏或裂缝，对换热效果和使用寿命均产生不良影响；无机盐具有较大的相变潜热，应用较为广泛，但是其对容器具有一定的腐蚀性，对容器材质要求较高，成本下降困难，另外这种储热装置的热量输入和输出一般采用冷热双罐的转换装置，而装置中的熔盐泵较昂贵，能耗高，而且有冻结危险。
[0004]针对以上问题，本发明提出了一种具有导热系数高、安全性好、蓄热量大，方便车间加工，运输及现场安装便利等特点的储热-换热设备。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于，克服以上描述的技术问题，提供一种储热-换热设备，包括I个或多个阵列布置的储热-换热单元；其特征在于，每个所述储热-换热单元包括储热壳体、置于所述储热壳体内部的储热材料以及布置于所述储热材料中的换热装置；所述储热-换热单元通过所述换热装置进行热量的输入及输出；所述储热材料为液态显热储热材料或液态与固态的不同物质混合使用的显热储热材料或可固-液态转换使用的相变储热材料；所述储热壳体为固态具有显热储热能力的材料；所述换热装置包括贯通的换热管道；所述储热-换热设备外部布置保温绝热材料。
[0006]进一步地，所述相变储热材料为无机盐或无机盐的混合物或低熔点金属或低熔点金属合金。相变储热材料具有高相变焓，与螺旋换热管道之间实现良好的膨胀匹配，具有良好的接触，长期使用也不会有缝隙。
[0007]进一步地，所述的相变储热材料为无机盐的碳酸盐或硝酸盐或氯化盐或火碱或该类无机盐的混合盐；例如碳酸钠或硝酸钠或硝酸钾或氯化钠或氢氧化钠或者混合盐。
[0008]进一步地，所述液态显热储热材料为无机盐或无机盐混合物或低熔点金属或低熔点金属合金或导热油；例如硝酸钠60Wt%+硝酸钾40Wt%的混合盐的高温稳定性，可以利用的显热储热温度范围为300°C飞50°C，或者金属钠具有很好的储热和导热能力。
[0009]进一步地，所述所述液态与固态的不同物质混合使用的显热储热材料，包括液态使用的无机盐或无机盐混合物或低熔点金属或低熔点金属合金或导热油和固态物质；该显热储热材料的使用，可保证该储热材料与储热壳体间以及该储热材料与换热装置间有良好的接触，导热效果好，同时各材料间热膨胀系数的差异不会造成破坏性挤压力，保证储热壳体密封安全。
[0010]进一步地，所述储热壳体的材料为水泥或混凝土或石材或金属或玻璃或陶瓷或石墨或一种以上的上述材料的混合物。例如，水泥为石墨水泥或铝酸盐水泥；混凝土为耐高温耐腐蚀混凝土，具体为石墨混凝土 ；金属为铸铁或铸铁合金。
[0011]进一步地，所述的储热壳体内壁布置有耐腐蚀结构层；所述的耐腐蚀结构层的材料为铝或不锈钢或碳钢或石墨材料或碳钢波纹管，石墨纸或碳纤维预浸布，耐腐蚀性能优越，改善该结构层与储热外壳间的热膨胀匹配，有效隔绝储热壳体与储热材料间的直接接触，防止或减缓腐蚀。
[0012]进一步地，所述的储热壳体内部布置有增强结构强度的钢筋，使壳体能够承受一定的压力。
[0013]进一步地，所述的换热管道上布置有翅片，增加换热管的外表面积，提高换热效率。
[0014]进一步地,所述的换热管道为螺旋换热管道,具体可以为垂直上升布置或倾斜布置或水平布置的螺旋换热管道，使换热更加充分。
[0015]进一步地，所述的储热壳体截面形状为矩形或等边六边形，以方便多个储热-换热单元紧密阵列布置，形成大规模储热-换热设备。
[0016]进一步地，所述的储热-换热设备的外表面布置有防腐蚀层，可有效防止酸雨等对储热壳体的破坏。
[0017]本发明提供的储热-换热设备，具有以下明显的优点，(I)储热材料具有较高的热容；(2)储热材料与换热管道容易实现膨胀匹配；(3)储热材料与换热管道的接触良好；
(4)储热材料与壳体材料容易实现热膨胀匹配，储热壳体长期使用无裂缝；(5)储热-换热设备结构简单，方便车间加工、方便运输和现场安装；(6)储热外壳材料经济、耐腐蚀，并提供显热储存能力，总体储热成本低。
[0018]
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明的储热-换热设备的第一实施例的结构示意图。
[0020]图2是本发明的储热-换热设备的第二实施例的结构示意图。
[0021]图3是本发明的储热-换热设备的第三实施例的结构示意图。
[0022]【具体实施方式】
下面参照附图对本发明的具体实施方案进行详细的说明。
[0023]图1是本发明的储热-换热设备的第一实施例的结构示意图。如图1所示，该储热-换热设备包括I个或多个阵列布置的储热-换热单元；每个所述储热-换热单元包括储热壳体101、置于所述储热壳体101内部的储热材料104和耐腐蚀结构层102以及布置于所述储热材料中的换热装置103 ;所述储热壳体101为固态具有显热储热能力的材料；例如为水泥或混凝土或石材或金属或玻璃或陶瓷或石墨或一种以上的上述材料的混合物，混凝土采用石墨水泥或铝酸盐水泥，按一定比例添加硅微粉、矿渣粉和碳纤维，干混均匀后，加入一定量的水，再混合均匀，利用模具将其做成截面为矩形或正六边形的柱体，以方便多个储热-换热单元紧密阵列布置，内部布置有增强结构强度的钢筋，脱模后形成储热-换热设备的储热壳体101，成本低廉，承压能力强，运输便利；所述储热壳体101内部布置耐腐蚀结构层102，有效隔绝储热壳体与储热材料间的直接接触，防止或减缓腐蚀；耐腐蚀结构层102例如为碳纤维预浸布或者石墨纸，碳纤维预浸布具体为，在储热壳体101脱模后，储热壳体101内部通过高温环氧胶固定碳纤维预浸布，然后将储热壳体101密封，通入lMPa、160°C的水蒸气10分钟，碳纤维预浸布上的高温环氧胶受热后融化；冷凝后，与储热壳体101形成一个完整的壳体；碳纤维预浸布或石墨纸可以防止储热材料104对储热壳体101的腐蚀，并且避免储热材料104向储热壳体101的渗出；所述换热装置103为垂直上升布置的贯通螺旋换热管道，螺旋换热管道均匀布置在储热壳体101内部，每个储热-换热单元中布置有若干阵列的螺旋换热管道，管道中为换热介质，优选为水或水蒸汽，实施热量的输入和输出，换热管道上布置有翅片，增加换热管的外表面积，提高换热效率；所述储热壳体内部空间填充的储热材料104，可以为液态显热储热材料或液态与固态的不同物质混合使用的显热储热材料或可固-液态转换时用的相变储热材料，液态使用的显热储热材料，例如无机盐或无机盐混合物或低熔点金属或低熔点金属合金或导热油；例如硝酸钠60Wt%+硝酸钾40Wt%的混合盐的高温稳定性，可以利用的显热储热温度范围为300°C飞50°C，或者金属钠具有很好的储热和导热能力，与螺旋上升换热管道之间实现良好的膨胀匹配，具有良好的接触，长期使用也不会有缝隙，利用储热材料的显热或潜热进行热量的存储和输出；进行热量存储时，显热储热介质吸收热量，温度升高；进行热量输出时，显热储热材料释放热量，温度降低；进一步地，显热热储热材料为液态与固态的不同物质混合使用的显热储热材料，例如液态使用的无机盐或无机盐混合物或低熔点金属或低熔点金属合金或导热油和固态使用的储热石块；该显热储热材料的使用，可保证该储热材料与储热壳体间以及该储热材料与换热装置间有良好的接触，导热效果好，同时各材料间热膨胀系数的差异不会造成破坏性挤压力，保证储热壳体密封安全。
[0024]另一实施方式中，储热材料为相变储热材料，例如为无机盐或无机盐的混合物或低熔点金属或低熔点金属合金或导热油；例如碳酸钠或硝酸钠或硝酸钾或氯化钠或氢氧化钠或者硝酸钠60Wt%+硝酸钾40Wt%的混合盐。利用相变储热材料的相变潜热进行热量的存储和输出，在进行热量存储时吸收大量的热，相变储热材料温度上升至相变温度，然后发生相变，逐渐由固态融化成液态；在进行热量输出时，垂直上升的螺旋管道内部贯通流动的换热介质水输入，吸收储热材料的热量后，变成带着内部热量的水蒸汽，相变储热材料的温度下降至相变温度时，相变储热材料发生相变，逐渐由液态凝固成固态；该储热-换热设备的外表面布置有防腐蚀层，可有效防止酸雨等对储热壳体101的破坏。
[0025]图2是本发明的储热-换热设备的第二实施例的结构示意图，如图2所示，该储热-换热设备由外而内为储热壳体201、耐腐蚀结构层202、换热装置203、储热材料204 ；所述储热壳体201为使用模具成型的耐高温耐腐蚀混凝土结构，耐高温耐腐蚀混凝土为水泥或混凝土或石材或金属或玻璃或陶瓷或石墨或一种以上的上述材料的混合物，混凝土使用的水泥采用石墨水泥或铝酸盐水泥，按一定比例添加硅微粉或矿渣粉和碳纤维，干混均匀后，加入一定量的水，再混合均匀，利用模具将其做成截面为矩形的柱体，内部布置有增强结构强度的钢筋，脱模后形成储热-换热设备的储热壳体201，成本低廉，运输便利；所述耐腐蚀结构层202为不锈钢或碳钢波纹管结构，波纹管与储热壳体201的壁面相切，能更好地与耐高温混凝土结合，避免高温膨胀后耐腐蚀结构层202与混凝土的分离，进一步改善该结构层与储热外壳间的热膨胀匹配；所述换热装置203为垂直上升布置于储热壳体201内部的螺旋换热管道，进行热量的输入和输出，螺旋上升换热管道均匀布置于储热壳体201的内部，换热管道上装有翅片，换热面积增加，效率提高；所述储热材料204为潜热或显热介质，均勻分散在储热壳体201内部的空间内，通过潜热或显热介质的潜热或显热进行热量的存储和输出；该储热-换热设备的外表面布置有防腐蚀层，可有效防止酸雨等腐蚀性物质对储热壳体201的破坏。
[0026]再者，在该实施例中，耐腐蚀结构层202在储热壳体101制造过程中布置于储热壳体201的内表面，与储热壳体形成一体，耐腐蚀结构层202材质还可以为铝材结构；有效避免储热材料204，例如硝酸钠或者硝酸钾对储热壳体201的渗透和腐蚀，延长储热壳体201的寿命。
[0027]图3是本发明的储热-换热设备的第三实施例的结构示意图。如图3所示，该储热-换热设备313包括多个阵列布置的储热-换热单元311，各储热-换热单元311紧密排布，节省空间；各储热-换热单元例如储热-换热单元311外部布置有储热壳体301，储热壳体301内部布置的换热装置303，例如为U形螺旋上升换热管道，实施热量的输入和输出，进行热量存储时；在存热的热量输入过程中，换热介质例如为过热水蒸汽，从输入管路305流入到各个储热-换热单元如储热-换热单元311内的U形螺旋上升换热管道进行换热，过热水蒸汽温度逐渐下降，当温度下降至水的相变点时，过热水蒸气凝结成水，各个U形螺旋上升换热管道内的水统一由输出管路306输出；在取热的热量输出过程中，换热介质例如水，从输入管路305流入到各个储热-换热单元如储热-换热单元311内的U形螺旋上升换热管道进行换热，水的温度逐渐升高，当温度升至水的相变温度时发生相变，由液态的水变为水蒸气，随着温度的继续升高，变为过热水蒸气，各储热-换热单元如储热-换热单兀311内的水蒸气或过热水蒸气统一由输出管路306输出，以备使用。该储热-换热设备可进行热量的存储和输出，安装简易，成本低。
[0028]需要特殊说明的是储热-换热单元内部布置的螺旋换热管道可以有其它的布置方式，例如垂直上升方向贯通布置，在存热过程中高温高压的换热介质，例如水蒸汽从上端进入，完成存热后，从下端流出；在取热的过程中低温高压换热介质例如水，从下端进入，完成取热后，从上端流出。储热-换热单元还可以阵列的水平布置，换热介质从水平一端进入从另一端流出，完成储热-换热单元的热量存热与取热。储热-换热单元的储热壳体为耐腐蚀的混凝土，例如含有石墨的石墨混凝土，减少特定相储热材料对储热壳体本身的腐蚀。
[0029]显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说可以预见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围由所述的权利要求书进行限定。
【权利要求】
1.一种储热-换热设备，包括I个或多个阵列布置的储热-换热单元；其特征在于，每个所述储热-换热单元包括储热壳体、置于所述储热壳体内部的储热材料以及布置于所述储热材料中的换热装置；所述储热-换热单元通过所述换热装置进行热量的输入及输出；所述储热材料为液态显热储热材料或液态与固态的不同物质混合使用的显热储热材料或可固-液态转换使用的相变储热材料；所述储热壳体为固态具有显热储热能力的材料；所述换热装置包括贯通的换热管道；所述储热-换热设备外部布置保温绝热材料。
2.根据权利要求1所述的储热-换热设备，其特征在于，所述相变储热材料为无机盐或无机盐的混合物或低熔点金属或低熔点金属合金。
3.根据权利要求1所述的储热-换热设备，其特征在于，所述液态显热储热材料为无机盐或无机盐混合物或低熔点金属或低熔点金属合金或导热油。
4.根据权利要求1或3所述的储热-换热设备，其特征在于，所述液态与固态的不同物质混合使用的显热储热材料，包括液态使用的无机盐或无机盐混合物或低熔点金属或低熔点金属合金或导热油和固态物质。
5.根据权利要求1所述的储热-换热设备，其特征在于，所述储热壳体的材料为水泥或混凝土或石材或金属或玻璃或陶瓷或石墨或一种以上的上述材料的混合物。
6.根据权利要求5所述的储热-换热设备，其特征在于，所述水泥为石墨水泥或铝酸盐水泥。
7.根据权利要求5所述的储热-换热设备，其特征在于，所述混凝土为耐高温耐腐蚀混凝土。
8.根据权利要求7所述的储热-换热设备，其特征在于，所述耐高温耐腐蚀混凝土为石墨混凝土。
9.根据权利要求5所述的储热-换热设备，其特征在于，所述储热壳体内部布置有增强结构强度的钢筋。
10.根据权利要求5所述的构成储热壳体的储热材料，其特征在于，所述金属为铸铁或铸铁合金。
11.根据权利要求1所述的储热-换热设备，其特征在于，所述储热壳体内壁布置有耐腐蚀结构层。
12.根据权利要求11所述的储热-换热设备，其特征在于，所述耐腐蚀结构层的材料为铝或不锈钢或碳钢或石墨材料或碳钢波纹管或石墨纸或碳纤维预浸布。
13.根据权利要求1所述的储热-换热设备，其特征在于，所述储热壳体截面形状为矩形或等边六边形。
14.根据权利要求1所述的储热-换热设备，其特征在于，所述换热管道上布置有翅片。
15.根据权利要求1所述的储热-换热设备，其特征在于，所述换热管道为螺旋换热管道。
16.根据权利要求1所述的储热-换热设备，其特征在于，所述储热-换热设备的外表面布置有防腐蚀层。
【文档编号】F28F21/00GK103673704SQ201210361154
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月25日 优先权日:2012年9月25日
【发明者】刘阳 申请人:北京兆阳光热技术有限公司