储热装置的制作方法

[0001]
本发明涉及储热领域，具体地涉及一种储热装置。


背景技术：

[0002]
热是一种能源形式，它来源于太阳光、火等，在使用时可以以热的形式直接利用，也可以与热发电装置结合转化为电力。当然，热也可以作为一种储能方式，与其它储能方式相比，储热储能具有成本低、寿命长、无污染的优点。
[0003]
现有的储热装置大多采用直接电加热储热介质的方式进行储热，例如通过在储热介质中插设加热丝来加热储热介质。但是，由于加热丝与储热介质的接触面积有限，导致储热介质各处温度不均匀，不仅使得储热介质升温、换热效率低，无法满足使用需求，而且在高温蓄热时，长时间使用易导致储热材料开裂或粉化。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是提供一种储热装置，以解决直接电加热储热介质所存在的升温、换热效率低，储热介质易损坏的问题。
[0005]
为了实现上述目的，本发明提供一种储热装置，该储热装置包括：
[0006]
储热单元，所述储热单元包括设置有储热介质的储热腔以及与所述储热腔连通的第一进气口和第一出气口，所述第一进气口用于供气体介质进入所述储热腔，所述第一出气口用于供所述气体介质从所述储热腔排出；和
[0007]
加热单元，所述加热单元设置为与所述第一进气口连通，用于对将要进入所述储热腔的所述气体介质加热，使得所述气体介质能够进一步对所述储热介质加热。
[0008]
可选地，所述储热单元包括气体分布器，所述气体分布器设置为使加热后的所述气体介质均匀分布于所述储热腔内；和/或
[0009]
所述储热装置包括换热单元，所述换热单元包括换热腔以及与所述换热腔连通的入口、出口和第二进气口，所述入口用于供换热介质进入所述换热腔，所述出口用于供所述换热介质从所述换热腔排出，所述第二进气口与所述第一出气口连通，使得所述气体介质将自身热量和/或所述储热腔内的热量传递至所述换热腔加热所述换热介质。
[0010]
可选地，所述气体分布器位于所述储热腔底部，所述气体分布器包括与所述第一进气口连通的布气主管和从所述布气主管向外延伸的多个布气支管，所述布气主管设置为沿所述储热腔的长度方向延伸，多个所述布气支管沿所述布气主管的延伸方向间隔设置。
[0011]
可选地，所述储热装置包括用于限定所述储热腔的第一壳体和用于限定所述换热腔的第二壳体，其中，所述第一进气口和所述第一出气口开设在所述第一壳体上，所述入口、所述出口以及所述第二进气口开设在所述第二壳体上。
[0012]
可选地，所述第一进气口位于所述第一壳体的底部，所述第一出气口位于所述第一壳体的顶部；和/或
[0013]
所述第二壳体上还开设有与所述换热腔连通的用于供所述气体介质排出的第二
出气口，所述第二出气口与所述加热单元连通，所述入口位于所述第二壳体的下部，所述出口位于所述第二壳体的上部，所述第二进气口位于所述第二壳体的顶部，所述第二出气口位于所述第二壳体的底部。
[0014]
可选地，所述储热装置包括用于将从所述第二出气口排出的所述气体介质泵入所述加热单元内的气体泵。
[0015]
可选地，所述储热腔内设置有保温层，所述保温层围设于所述储热介质外；和/或
[0016]
所述储热介质包括多个储热体，多个所述储热体相互间隔排布。
[0017]
可选地，所述储热体呈板状或柱状，多个所述储热体呈多排多列布置，相邻列的所述储热体之间、相邻排的所述储热体之间以及所述储热腔的壁和与其相邻的所述储热体之间均具有间隔。
[0018]
可选地，所述气体介质为惰性气体。
[0019]
可选地，所述储热介质采用包括碳质粘结剂、碳质导热组分和无机添加剂的储热材料，其中，以所述储热材料的总重量为基准，所述碳质粘结剂的含量为5-50重量％，所述碳质导热组分的含量为20-70重量％，所述无机添加剂的含量为5-30重量％。
[0020]
与现有技术相比，本发明的储热装置中，储热腔内不设置对储热介质直接电加热的加热丝，而是在储热腔外对将要进入储热腔内的气体介质进行预加热，使加热后的气体介质进入储热腔内对储热介质加热，气体介质进入储热腔后能够进行扩散而与储热介质充分接触，使得储热介质各处温度均匀升高，从而有效避免直接电加热储热介质所引起的升温、换热效率低，储热介质易损坏等问题。而且，通过采用气体介质对储热介质加热，能够有效提高储热介质的升温速度，使得储热装置具有更高的储热和换热效率。
[0021]
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0022]
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0023]
图1是本发明中储热装置的一种实施方式的示意图。
[0024]
附图标记说明
[0025]
10-第一壳体，11-第一进气口，12-第一出气口，13-储热体，14-保温层，15-气体分布器，151-布气主管，152-布气支管，20-第二壳体，21-入口，22-出口，23-第二进气口，24-第二出气口，25-换热管路，251-入口端，252-出口端，30-第一管路，40-第二管路，50-气体泵，60-加热单元。
具体实施方式
[0026]
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0027]
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是指安装使用状态下的方位。“内、外”是指相对于各部件本身轮廓的内、外。
[0028]
本发明提供一种储热装置，该储热装置包括：
[0029]
储热单元，所述储热单元包括设置有储热介质的储热腔以及与所述储热腔连通的
第一进气口11和第一出气口12，第一进气口11用于供气体介质进入所述储热腔，第一出气口12用于供所述气体介质从所述储热腔排出；和
[0030]
加热单元60，加热单元60设置为与第一进气口11连通，用于对将要进入所述储热腔的所述气体介质加热，使得所述气体介质能够进一步对所述储热介质加热。
[0031]
本发明的储热装置中，所述储热腔内不设置对所述储热介质直接电加热的加热丝，而是在所述储热腔外对将要进入所述储热腔内的气体介质进行预加热，使加热后的所述气体介质进入所述储热腔内对所述储热介质加热，所述气体介质进入所述储热腔后能够进行扩散而与所述储热介质充分接触，使得所述储热介质各处温度均匀升高，从而有效避免直接电加热储热介质所引起的升温、换热效率低，储热介质易损坏等问题。而且，通过采用气体介质对储热介质加热，能够有效提高储热介质的升温速度，使得储热装置具有更高的储热和换热效率。
[0032]
为了进一步提高所述气体介质与所述储热介质换热的均匀性，所述储热单元可包括气体分布器15，气体分布器15设置为使加热后的所述气体介质均匀分布于所述储热腔内。其中，气体分布器15可以具有任意适当的结构，本发明不做限制。
[0033]
根据本发明的一种实施方式，如图1所示，气体分布器15可位于所述储热腔的底部，气体分布器15可包括与第一进气口11连通的布气主管151和从布气主管151向外延伸的多个布气支管152，布气主管151设置为沿所述储热腔的长度方向延伸，多个布气支管152沿布气主管151的延伸方向间隔设置。其中，需要说明的是，布气主管151的形状可与所述储热腔的形状相适应，例如当所述储热腔为方形腔时，布气主管151可形成为覆盖所述储热腔底部的方形体，布气支管152可以从布气主管151的顶部向上延伸。当然，本发明的布气主管151和布气支管152不仅限于图1中所示，其可以具有任意适当的形状和排布方式，只要能够使所述气体介质遍布整个储热腔即可。
[0034]
本发明中，所述储热装置还可包括换热单元，所述换热单元包括换热腔以及与所述换热腔连通的入口21、出口22和第二进气口23，入口21用于供换热介质进入所述换热腔，出口22用于供所述换热介质从所述换热腔排出，第二进气口23与第一出气口12连通，使得所述气体介质将自身热量和/或所述储热腔内的热量传递至所述换热腔加热所述换热介质。也就是说，加热单元60可以选择性地对所述气体介质进行加热，当气体介质受到加热单元60的加热时，气体介质会首先进入所述储热腔内与所述储热介质进行热交换，将一部分热量储存在所述储热介质中，然后所述气体介质会经第一出气口12、第二进气口23进入所述换热腔内，将其携带的剩余热量(即上述中的气体介质的自身热量)传递给所述换热介质；当气体介质未受到加热单元60的加热时，气体介质直接通入所述储热腔内，将之前储存在所述储热介质中的热量传递给换热介质进行利用。其中，加热单元60可选择在加热成本较低的时候(例如采用谷电)工作，而在加热成本较高的时候(例如用电高峰期)停止加热。当然，加热单元60并不仅限于电加热，还可采用其他方式进行加热，例如聚光加热、电磁加热、微波加热等。以上加热方式加热速度较快，可以将气体介质快速加热，从而能够使整个储热装置具有更高的换热效率。
[0035]
本发明中，所述储热腔和所述换热腔可采用同一壳体限定，并使两者之间通过绝热层隔开。但是为了避免所述换热腔内的换热介质进入所述储热腔对所述储热介质进行氧化，优选为使所述储热腔和所述换热腔分别采用独立的壳体限定，以将换热与储热分开。例
如图1所示，所述储热装置可包括用于限定所述储热腔的第一壳体10和用于限定所述换热腔的第二壳体20，其中，第一进气口11和第一出气口12开设在第一壳体10上，入口21、出口22以及第二进气口23开设在第二壳体20上。
[0036]
其中，为了提高所述气体介质的传热效果，可使第一进气口11和第一出气口12分别位于第一壳体10的相对的两侧。例如图1所示，第一进气口11位于第一壳体10的底部，第一出气口12位于第一壳体10的顶部，这样，从第一进气口11进入的气体介质可以扩散至整个所述储热腔，与所述储热腔内的储热介质进行充分接触后再排出。
[0037]
另外，为了使得所述气体介质能够循环使用，第二壳体20上还开设有与所述换热腔连通的用于供所述气体介质排出的第二出气口24，第二出气口24与加热单元60连通。这样能够使得与所述换热介质热交换后的所述气体介质再返回加热单元60中进行再次加热。需要说明的是，在其他实施方式中，第二出气口24还可与第一进气口11直接连通，这样，在加热单元60不工作时，从第二出气口24排出的气体介质可直接进入所述储热腔内携热。
[0038]
为了提高所述换热腔中气体介质与换热介质的换热效果，如图1所示，可使入口21位于第二壳体20的下部，出口22位于第二壳体20的上部，第二进气口23位于第二壳体20的顶部，第二出气口24位于第二壳体20的底部。这样，热的气体介质会从所述换热腔的顶部向下流动，所述换热介质会从所述换热腔的下部向上流动，使得所述气体介质能够与所述换热介质充分接触进行热交换。
[0039]
为了实现所述换热介质在所述换热腔内的有效流动及换热，如图1所示，所述储热装置还包括设置在所述换热腔内的供所述换热介质流动的换热管路25，换热管路25具有入口端251和出口端252。可以理解的是，换热介质可从入口端251进入换热管路25内，沿换热管路25流动并从出口端252流出。其中，入口端251和出口端252根据换热管路25的结构的不同可以有不同的设置方式，例如入口端251可连接于入口21处(即入口端251位于所述换热腔内或者与入口21齐平，例如可使入口端251与入口21对接连通)，出口端252可连接于出口22(即出口端252位于所述换热腔内或者与出口22齐平，例如可使出口端252与出口22对接连通)。也可以如图1所示，使入口端251经入口21伸出第二壳体20外，使出口端252经出口22伸出第二壳体20外。其中，可以理解的是，为了防止气体介质的流失，入口端251和出口端252均密封伸出第二壳体20外。上述中，入口端251可与换热介质供应源连通，出口端252可与换热介质使用端(例如空调制热、热水等)连通。
[0040]
上述中，换热管路25可以采用任意形状的管路，也可以在所述换热腔内任意延伸设置，例如换热管路25可以为翅片或盘管。例如图1所示的实施方式，本发明的换热管路25通过采用盘管的形式，可以大大延长换热介质在所述换热腔内的流动行程，从而增加换热介质与气体介质的换热时间和换热面积，能够有效提高换热效果。
[0041]
本发明中，所述储热装置还可包括用于将从第二出气口24排出的气体介质泵入加热单元60内的气体泵50。气体泵50的设置能够利于气体介质在储热腔与换热腔之间的循环。例如图1所示，所述储热装置可包括用于连通第二进气口21与第一出气口12的第一管路30以及用于连通第二出气口22与第一进气口11的第二管路40，气体泵50和加热单元60设置于第二管路40上。
[0042]
当然，可以理解的是，在第二出气口24还与第一进气口11直接连通的实施方式中，气体泵50还能够将从第二出气口24排出的气体介质泵入所述储热腔内。
[0043]
为了进一步提高所述储热腔内储热介质的储热温度，所述储热腔内还可设置有保温层14，保温层14可围设于所述储热介质外。具体地，如图1所示，保温层14可覆盖于第一壳体10的内壁。这样，保温层14可将储热介质包裹在内，对其进行绝热保护，从而有效防止热量流失。
[0044]
本发明中，所述储热介质可以以任意方式设置，例如，所述储热介质可包括多个储热体13，多个储热体13相互间隔排布，该间隔可供所述气体介质流动。
[0045]
具体地，如图1所示的实施方式，储热体13可呈板状或柱状，多个储热体13呈多排多列布置，相邻列的储热体13之间、相邻排的储热体13之间以及所述储热腔的壁(即第一壳体10的内壁)和与其相邻的储热体13之间均具有间隔，该间隔可形成为供所述气体介质流动的通道，可以理解的是，布气支管152、第一进气口11和第一出气口12是与该通道连通的。需要说明的是，储热体13也可以是其他形状，多个储热体13可以具有其他任意适当的排布方式，并不仅限于图1所示。
[0046]
本发明中，所述换热介质可以是任意合适的气体(例如空气)或液体(例如水)。所述气体介质可以是惰性气体(氮气、氩气、氦气等)，所述储热装置通过采用惰性气体作为传热介质，能够使所述储热腔内形成为惰性气体环境，从而使所述储热腔内的储热介质保持稳定，不易被氧化，这样所述储热装置便可以使用热导率高的储热材料作为储热介质，从而能够同时提高储热温度和换热效率。例如，所述储热介质可以为热导率高的固体材料(例如炭、陶瓷、金属等)或相变类材料(例如石蜡、无机盐、熔盐、金属等)。
[0047]
此外，由于储热储能的技术关键在于提高储热密度和换热效率，而具有高热导率的材料可以提高储热介质的温度均匀性，加快热量的存储和释放，从而提高换热效率；具有高温稳定性的材料，可以使材料在更高的温度下使用，从而提高储热密度。因此，为了提高储热密度和换热效率，本发明还提供一种新的高热导率、高温稳定性的储热材料及其制备方法，以实现储热的高效利用。其中，根据本发明的储热材料的制备方法，包括：
[0048]
(1)将碳质粘结剂、碳质导热组分和无机添加剂进行混合；
[0049]
(2)将步骤(1)得到的混合物进行模压；
[0050]
(3)将步骤(2)得到的模压块体进行高温热处理。
[0051]
根据本发明，以所述储热材料的总重量为基准，所述碳质粘结剂的用量为5-50重量％，所述碳质导热组分的用量为20-70重量％，所述无机添加剂的用量为5-30重量％；在本发明中，只要将碳质粘结剂、碳质导热组分以及无机添加剂的用量控制为上述范围之内，该储热材料同时具有高的热导率、高的密度和高的比热以及优良的高温稳定性；优选情况下，以所述储热材料的总重量为基准，所述碳质粘结剂的用量为15-50重量％，所述碳质导热组分的用量为30-65重量％，所述无机添加剂的用量为5-25重量％时，该储热材料同时具有更高的热导率、更高的密度和更高的比热以及更优良的高温稳定性。
[0052]
根据本发明，在步骤(1)中，所述无机添加剂可以包括氧化硅、氧化铝、氧化镁和碳化硅中的一种或多种，优选为氧化硅和/或氧化镁；另外，所述无机添加剂的平均粒径可以为20-1000目，优选为50-500目。在本发明中，添加所述无机添加剂，该储热材料能够同时具有高的密度和高的比热；另外，将所述无机添加剂的用量控制为上述范围，该储热材料能够具有高的热导率。
[0053]
根据本发明，所述碳质粘结剂可以包括沥青类物质和/或树脂类物质。
[0054]
其中，所述沥青类物质的软化点可以为140-360℃，优选为160-320℃，更优选为180-320℃。在本发明中，将所述沥青类物质的软化点控制为上述范围之内，该储热材料同时具有较高的热导率、较高的密度和较高的比热以及较优良的高温稳定性。
[0055]
其中，所述树脂类物质的含碳量可以大于60重量％，所述树脂类物质可以为酚醛树脂；另外，所述碳质粘结剂的平均粒径可以为20-800目，优选为50-400目。
[0056]
根据本发明，所述碳质导热组分可以包括石墨和/或针状焦；所述石墨可以为天然石墨，以及所述石墨的石墨化度>90重量％；所述针状焦石墨化后的石墨化度>80重量％；另外，所述碳质导热组分的平均粒径可以为20-1000目，优选情况下，粒径为50-500目。在本发明中，需要说明的是，当选用石墨化程度低的针状焦作为碳质导热组分时，则必须采用软化点高(例如，320℃)的导热粘结剂组分，否则，如果采用如花点低(例如，110℃)的导热粘结剂组分，则热导率也会很低。
[0057]
根据本发明，在步骤(1)中，所述混合的方式包括球磨、震动成型和热混中的一种或多种，优选为球磨；在本发明中，所述球磨混合的条件可以包括：球磨速率可以为100-300r/min，时间为10-300min；优选情况下，球磨速率为150-250r/min，时间为50-200min。
[0058]
根据本发明，在步骤(2)中，优选情况下，所述制备方法还包括将步骤(1)得到的混合物破碎成颗粒并进行模压；其中，所述颗粒的平均粒径可以为10-400目，优选情况下，粒径为50-200目。
[0059]
优选地，在步骤(2)中，所述模压的条件包括：模压压力可以为10-400mpa，模压温度可以为300-1600℃；优选情况下，模压压力为20-200mpa，模压温度为350-600℃。其中，模压的时间没有具体限定，例如，模压时间可以为0-180min，优选情况下，模压时间为10-60min。在本发明中，需要说明的是，模压时间为“0”指的是模压一下立即离开，表示停留的时间为0，而模压的瞬间时间为1-3秒。
[0060]
根据本发明，在步骤(3)中，所述高温热处理的条件包括：温度可以为1600-3200℃，优选情况下，温度为1600-2800℃，时间为1-2h。根据本发明，所述高温热处理可以在高温炉中氮气气氛保护下加热，并恒温1-2h，再降至室温得到该储热材料。
[0061]
根据本发明，所述制备方法还包括：在步骤(1)中还包含有相变材料，即，在步骤(1)中，将碳质粘结剂、碳质导热组分、无机添加剂和相变材料进行混合。
[0062]
根据本发明，以所述储热材料的总重量为基准，所述相变材料的用量可以为10-25重量％，优选为10-15重量％。
[0063]
根据本发明，所述相变材料可以包括有机相变材料、无机相变材料和金属相变材料中的一种或多种。
[0064]
其中，所述有机相变材料可以包括石蜡、脂肪酸和多元醇中的一种或多种；优选为石蜡和/或脂肪酸。在本发明中，所述有机相变材料可以通过商购获得，例如，可以购自北京广域相变科技有限公司，型号为mg48。
[0065]
其中，所述无机相变材料可以包括硝酸盐、氯化盐、氟化盐和硫酸盐中的一种或多种；优选为硝酸盐和/或氯化盐。在本发明中，所述无机相变材料可以通过商购获得，例如，可以购自金兰化工有限公司，型号为jl2c二元熔盐。
[0066]
其中，所述金属相变材料可以包括伍德合金、硅铝合金和锌铝合金中的一种或多种。优选为伍德合金和/或硅铝合金。在本发明中，所述金属相变材料可以通过商购获得，例
如，可以购自郑州巴氏合金材料有限公司，型号为12-3-10伍德合金。
[0067]
本发明中，所述储热材料可以是由上述方法制备得到的储热材料。
[0068]
根据本发明，所述储热材料可以包括石墨材料和/或碳质材料。
[0069]
其中，所述石墨材料的碳元素含量可以为90-100重量％，石墨化度可以为80-100％，la可以为50-800nm。
[0070]
根据本发明，所述碳质材料的碳元素含量可以为60-89重量％，石墨化度可以为40-79％，la可以为10-49nm。
[0071]
在本发明中，需要说明的是，la表示的是材料的微晶宽度。另外，在本发明中，la可以根据谢乐公式对xrd衍射峰进行计算得到。
[0072]
在本发明中，碳元素的含量可以通过原子吸收光谱法进行表征；石墨化度可以通过xrd衍射峰的d
002
值，根据公式(3.440-d
002
)/(3.440-3.354)
×
100计算得到。
[0073]
根据本发明，所述储热材料的热导率可以为15-700w/mk，密度可以为1.9-3.5g/cm3，比热可以为800-2000j/kg；优选情况下，热导率为20-300w/mk。所述储热材料具有高的热导率、密度、比热以及优良的高温稳定性，能够适应于更高的使用温度，以及具有更快的升温速度。
[0074]
根据本发明，以所述储热材料的总重量为基准，所述石墨材料的含量可以为20-70重量％，所述碳质材料的含量可以为30-80重量％；优选情况下，以所述储热材料的总重量为基准，所述石墨材料的含量为40-60重量％，所述碳质材料的含量为40-60重量％。
[0075]
本发明中，所述储热材料还可以是一种复合材料，其中，该复合材料为将熔盐的熔体渗入到多孔材料的缝隙中进行复合而得到的，其中，所述多孔材料为将前述所述的储热材料经过物理加工而得到的。
[0076]
根据本发明，所述熔盐可以包括硝酸钠、硝酸钾、亚硝酸钠、亚硝酸钾、氯化钠和氯化钾中的一种或多种；在本发明中，优选情况下，所述物理加工包括车、铣和钻中的一种或多种。
[0077]
本发明的储热装置通过采用上述新的储热材料，能够实现更高的使用温度和更高的换热效率。
[0078]
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0079]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0080]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。