一种基于复合相变储热材料层的高效储热换热装置的制作方法

本实用新型属于能源利用设备技术领域，具体涉及一种基于复合相变储热材料层的高效储热换热装置，可应用于太阳能热发电储热系统、弃风电储热供热系统等新能源领域及高温烟气余热回收利用领域。

背景技术：

随着各发达国家工业化进程的不断推进以及规模经济的不断扩大，自然资源特别是能源资源大量消耗，由此所带来的能源危机及所产生的环境污染问题，使人们逐渐开始重视如何能够有效提高能源的利用效率以及开发具有高效、节能、可再生新能源。其中，提高一次化石能源的利用效率，大力开发风能、太阳能、地热能等新能源成为人们解决能源问题的重要方法，而储热技术是保证新能源稳定输出的关键，是提高一次化石能源利用效率的有效途径。目前国内外已有不少相关储热换热系统的专利，但很多使用效果都不太理想。如中国实用新型专利授权公告号CN202304521U介绍的“一种固体储热装置”，其采用固体储热材料，运行安全，然而储热密度低；又如中国实用新型专利授权公告号CN202928422U提及的“熔盐储热装置”，相变材料直接采用熔融盐，具有极强的腐蚀性，且导热系数太低；再如中国实用新型专利授权公告号CN201895861U推荐的“一种含相变材料的储热装置及使用该储热装置制成的保温系统”，采用有机相变材料，只能满足低温储热需求。还有中国发明专利申请公布号CN102252545A介绍的“一种应用于太阳能空调的熔融盐相变蓄热装置”，在采用的储热材料中加入石墨以增加导热系数，使热交换过程充分、可逆，换热效率高，并且将储热材料封装在固定的不锈钢管内，确保储热系统的安全可靠性，但是，它储热材料的制备过于简单，未采用模块化。

鉴于上述已有技术，有必要对现有储热换热装置的结构加以改进，为此，本申请人作了有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种换热效率高、安全可靠且使用寿命长的基于复合相变储热材料层的高效储热换热装置。

本实用新型的目的是这样来达到的，一种基于复合相变储热材料层的高效储热换热装置，其特征在于：包括储热室箱体、储热材料封装管以及复合相变储热材料层，所述的储热室箱体内充满有高温流体，储热室箱体在长度方向的一端开设高温流体入口，并在该端的底部位置开设低温流体出口，储热室箱体在长度方向的另一端开设高温流体出口，并在该端的底部位置开设低温流体入口，所述的储热材料封装管固定在储热室箱体的内部型腔中并沿储热室箱体的长度方向延伸，储热材料封装管为同心圆管，包括内管和套设在内管外的外管，所述的内管为低温流体通道，其一端从低温流体入口探出至储热室箱体外，而另一端从低温流体出口探出至储热室箱体外，外管的管壁与储热室箱体内的高温流体接触，所述的复合相变储热材料层由多个储热材料模块拼接而成，多个储热材料模块填充并封装在由内管的外侧壁和外管的内侧壁围隔成的空间内。

在本实用新型的一个具体的实施例中，所述的储热材料封装管有多根，且沿所述的储热室箱体的宽度方向间隔排布。

在本实用新型的另一个具体的实施例中，所述的储热材料封装管呈S形弯曲或波浪形弯曲。

在本实用新型的又一个具体的实施例中，所述的储热材料模块的横截面形状呈扇形状，多个储热材料模块合并后拼接成一圆环。

在本实用新型的再一个具体的实施例中，所述的储热材料模块为无机盐/无机非金属材料/石墨复合模块，其中，无机盐为碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐、硫酸盐中的一种或多种，无机非金属材料为MgO、SiO、AlO中的一种。

在本实用新型的还有一个具体的实施例中，所述的储热室箱体的内侧壁或外侧壁上设有保温层。

在本实用新型的更而一个具体的实施例中，所述的保温层为陶瓷纤维，所述的陶瓷纤维的厚度介于～mm之间。

在本实用新型的进而一个具体的实施例中，所述的高温流体为烟气、氮气、氩气、导热油中的任意一种；所述的低温流体为空气、氮气、氩气、导热油中的任意一种。

在本实用新型的又更而一个具体的实施例中，在所述的储热材料封装管为不锈钢管。

在本实用新型的又进而一个具体的实施例中，所述的储热室箱体为碳钢箱体或不锈钢箱体。

本实用新型由于采用了上述结构，与现有技术相比，具有的有益效果是：所述的复合相变储热材料采用模块化的结构，便于安装；通过高温流体和低温流体两种传热介质与复合相变储热材料进行换热，换热效率高且换热充分；复合相变储热材料和传热介质隔离，复合相变储热材料的使用寿命长。

附图说明

图1为本实用新型的剖视图。

图2为本实用新型的内部结构俯视图。

图3为本实用新型所述的储热材料封装管的排布示意图。

图4为本实用新型所述的复合相变储热材料的结构示意图。

图中：1.储热室箱体、11.高温流体入口、12.低温流体出口、13.高温流体出口、14.低温流体入口；2.储热材料封装管、21.内管、22.外管；3.复合相变储热材料层、31.储热材料模块；4.保温层。

具体实施方式

为了使公众能充分了解本实用新型的技术实质和有益效果，申请人将在下面结合附图对本实用新型的具体实施方式详细描述，但申请人对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本实用新型构思作形式而非实质的变化都应当视为本实用新型的保护范围。

请参阅图1和图2，本实用新型涉及一种基于复合相变储热材料层的高效储热换热装置，包括储热室箱体1、储热材料封装管2以及复合相变储热材料层3。所述的储热室箱体1内充满有高温流体，所述的高温流体可以为热源端的工业高温烟气以及太阳能热发电聚光热形成的高温空气、高温氮气、高温氩气、高温导热油等。储热室箱体1在长度方向的一端开设高温流体入口11，并在该端的底部位置开设低温流体出口12，储热室箱体1在长度方向的另一端开设高温流体出口13，并在该端的底部位置开设低温流体入口14。储热室箱体1优选为碳钢箱体或不锈钢箱体，并且在内侧壁或外侧壁上设有保温层4。当高温流体为气体时，储热室箱体1采用普通碳钢，保温层4设置在内侧壁上，当高温流体为低于400℃的液体时，储热室箱体1采用304不锈钢，保温层4设置在外侧壁上。在本实施例中，所述的保温层4为陶瓷纤维，所述的陶瓷纤维的厚度介于35～45mm之间。

请继续参阅图1和图2，并结合图3，所述的储热材料封装管2有多根，固定在储热室箱体1的内部型腔中且沿所述的储热室箱体1的宽度方向间隔排布。各储热材料封装管2沿储热室箱体1的长度方向呈S形弯曲或波浪形弯曲进行延伸。具体的，储热材料封装管2是由耐高温、耐腐蚀的不锈钢制成的同心圆管，包括内管21和套设在内管21外的外管22。当使用温度高于600℃时，该储热材料封装管2选择2520不锈钢，当温度低于600℃时储热材料封装管2选择304不锈钢。所述的内管21为低温流体通道，所述的低温流体为空气、氮气、氩气、导热油中的任意一种。内管21的一端从低温流体入口14探出至储热室箱体1外，而另一端从低温流体出口12探出至储热室箱体1外。所述的低温流体入口14和低温流体出口12的数量分别与储热材料封装管2的数量相同。外管22的管壁与储热室箱体1内的高温流体接触，进行换热。

请参阅图4，所述的复合相变储热材料层3由多个储热材料模块31拼接而成，所述的储热材料模块31的横截面形状呈扇形状，多个储热材料模块31合并后拼接成一圆环，在本实施例中，由四个储热材料模块31构成一圆环。多个储热材料模块31填充并封装在由内管21的外侧壁和外管22的内侧壁围隔成的空间内。所述的储热材料模块31为无机盐/无机非金属材料/石墨复合模块，其中，无机盐为碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐、硫酸盐中的一种或多种，无机非金属材料为MgO、SiO₂、Al₂O₃中的一种。选择其中一种或多种无机盐组成的混合盐与一种无机非金属材料混合（选择时二者不发生反应），然后经过混料、压制成型、干燥、高温烧结来制备成储热材料模块。储热材料模块所采用的储热材料具有储热密度大、导热系数高、腐蚀小、使用寿命长的优点，可根据不同的使用温度范围选择不同的储热材料。例如在150~350℃温度范围，可选择NaNO₃/SiO₂/石墨复合储热材料；在400~600℃温度范围，可选择Li₂CO₃、Na₂CO₃/MgO/石墨复合储热材料；在700~900℃温度范围，可选择Na₂SO₄/硅藻土/石墨复合储热材料。

本实用新型充热时，将高温流体从高温流体入口11导入储热室箱体1内，通过高温流体加热储热材料封装管2中的复合相变储热材料层3，复合相变储热材料层3熔化前以显热的方式储热，当温度达到其熔点时蓄热材料开始熔化并以相变潜热的方式存储热量。当需要利用热能时，将低温流体经低温流体入口13导入到内管21中，由于复合相变储热材料层3处于高温熔融状态，因此复合相变储热材料层3将通过热交换放出相变潜热来加热低温流体，使热能得以释放和利用。低温流体换热后从低温流体出口12排出，可供给终端使用。当液态的复合相变储热材料层3冷却至相变温度时又结晶成为固态，同时放出相变潜热。复合相变储热材料层3在充热释热过程中可循环利用千次以上。高温流体和低温流体这两种传热介质可以根据使用需求而选择不同的传热流体。

实施例1：

在本实施例中，所述的储热室箱体1由3mm厚的普通碳钢制成，保温层4为40mm厚的耐高温陶瓷纤维，设置在储热室箱体1的内侧壁上，对储热室箱体1进行保护。所述的储热材料封装管2为2520不锈钢管。充热时的高温流体为400~600℃的高温烟气，释热时的低温流体为空气。所述的储热材料模块31采用Na₂SO₄/硅藻土/石墨复合储热材料，具体的制备过程包括如下步骤：

混料：首先将硅藻土、Na₂SO₄干燥、球磨过300目筛，然后将重量比为40份的硅藻土、60份的Na₂SO₄及10份的石墨放入球磨机中进行充分混合，待1小时后制得A粉；

压制成型：对混合好的A粉喷洒3%左右的水来进行造粒，然后在15MPa的压力下压制成型；

干燥：在120℃温度下干燥4小时；

烧成：在900℃温度下烧成，烧成时的升温速率为5℃/min，900℃保温2小时。

上述各原料的纯度＞98%的工业级原料即可。经测试，由此制得的储热材料模块31的导热系数＞1W/（m·K），储热密度＞350J/g，抗压强度＞7MPa。

实施例2：

在本实施例中，所述的储热材料封装管2为304不锈钢管。所述的储热材料模块31采用Li₂CO₃、Na₂CO₃/MgO/石墨复合储热材料，具体的制备过程包括如下步骤：

混料：首先将重量比为30份的Li₂CO₃和30份Na₂CO₃充分混合，待2小时后加入40份的MgO和10份的石墨，经充分混合2小时后制得B粉；

压制成型：将混合好的B粉喷洒3%左右的水来进行造粒，然后在20MPa的压力下压制成型；

干燥：在120℃温度下干燥4小时；

烧成：在550℃温度下烧成，烧成时的升温速率为5℃/min，550℃保温2小时；

上述各原料的纯度＞98%的工业级原料即可。经过测试，其导热系数＞3W/（m·K），储热密度＞550J/g，抗压强度＞10MPa。

实施例3：

在本实施例中，所述的储热室箱体1由304不锈钢制成，保温层4设置在储热室箱体1的外侧壁上，对储热室箱体1进行保护。所述的储热材料封装管2为304不锈钢管。充热时的高温流体为150~350℃的导热油，释热时的低温流体为导热油。所述的储热材料模块31采用NaNO₃/SiO₂/石墨复合储热材料，具体的制备过程包括如下步骤：

混料：首先将NaNO₃在120℃温度下干燥6小时，然后球磨过300目晒，将重量比为50份的NaNO₃、50份SiO₂、10份的石墨充分混合2小时后制得C粉；

压制成型：将混合好的C粉喷洒3%左右的水来进行造粒，然后在25MPa的压力下压制成型；

干燥：在120℃温度下干燥4小时；

烧成：在320℃温度下烧成，烧成时的升温速率为5℃/min，320℃保温2小时；

上述各原料的纯度＞98%的工业级原料即可。经过测试，其导热系数＞1W/（m·K），储热密度＞300J/g，抗压强度＞5MPa。