高温隔热组件的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请基于35u.s.c.§119(e)请求享有2016年12月12日提交的美国临时专利申请第62/433082号的权益，该申请通过引用以其整体并入本文中。

背景技术：

本公开涉及传热领域，并且更具体地涉及在一定体积的高温流体和包含高温流体的容器之间提供热隔离。有些应用需要使用高温流体来储存热并输送热量以用于应用，如发电、化学合成反应控制、矿石提取、高效电池、生产层中的石油二次回收，或临界或亚临界裂变核心中的传热和中子学。在一些应用中，具有最有益特性的高温流体是熔盐。对于许多应用，该工艺的性能和能效随着温度高达800℃而改善。对于这种应用，通常用于容器和管道的金属在高于600℃的温度下不能可靠地操作来与熔盐接触。这些应用通常受到金属和合金在高温下的强度以及金属或合金的化学腐蚀的限制。在这些高温下，常规结构金属失去其强度并且金属表面以显著的速率腐蚀。含有高比例镍的金属合金能够在800℃下可靠地操作，同时耐腐蚀。然而，这种合金非常昂贵，并且作为罐和管道的材料用于上文所述的许多应用将是不可承受的。

技术实现要素：

密封隔热囊用于降低容器(如管道或罐)的壁的温度，该容器包含高温流体，如熔盐，且因此提供使用较便宜的容器材料的可能性，同时仍然提供可靠的操作。

本发明的一个实施例涉及一种密封隔热囊，其限制高温应用中的辐射和传导传热。密封的隔热囊使得可在囊的相对面上维持大的温差，同时仅需要适度的传热来维持温差。应用实例包括利用熔盐的系统，集中太阳能中的储热，安全的核裂变能力，从矿石中提取金属以及需要高温的化学合成。

另外，公开了一种方法，其中多层囊定位为与包含热熔融流体的容器的内表面相邻的衬里。囊包括气密密封的层压板，层压板包含位于护套内的多个高反射薄金属箔，如电抛光镍。箔层通过诸如陶瓷按钮或条的间隔物的图案在囊内彼此间隔开，间隔物在护套面和相邻的箔层之间提供间隔。护套由两片耐腐蚀金属形成，并且护套通过沿两片的配合周缘焊接而密封，使得护套内部是气密的。在一些实施例中，焊接边缘远离囊的热侧折叠，使得所有焊缝位于囊的冷侧，使得焊缝在冷侧的温度下操作。

密封隔热囊在囊的两个面之间提供各种形式的传热的有效隔离(例如，传导、辐射、对流)。内部的反射层充当多层辐射热障层。陶瓷按钮提供间隔以限制相邻箔层的接触。囊的内部可填充惰性气体，例如氩气或氪气，其限制传导和对流作为传热机制。填充囊的气体压力足以在操作温度下提供与来自容器中熔融流体填充的液压力的近似压力平衡。对于一定范围的囊参数，通过由囊包围的腔(例如，参见图2)的一定体积的熔融流体可维持在800℃下，同时将容纳容器的壁温限制在约500℃。容器的壁温可通过流过构造成与容器的外壁热接触的热迹线的二次传热流体的流动来调节。

与陶瓷绝热材料相比，囊可更有效地限制传热。限制来自流体的传热导致较低的容器温度，这反过来允许容器由较便宜的材料制成，同时仍保持较长的使用寿命。在囊的护套中使用的昂贵的高镍合金的数量远小于容器和管道的数量，因此可使用廉价的金属而无后患。

密封隔热囊提供半柔性热障层，其可装配到新容器中或重新装配到现有容器中。其可以平坦或弯曲的几何形状制造，以对容器的表面'贴墙纸'，如大管，罐等，或以圆柱形或管形几何形状安装在管道中。在这种设备中，熔融流体将存在于隔热层的两个面上，因此层状组件将需要支承的压力仅等于熔融流体中的液压压力，不需要支承熔融流体的整体容纳物。

与内部熔融流体的温度相比，密封隔热囊使得可显著降低容器和管道表面的温度。结果，容器和管道可由经济实惠的合金制成，例如由钢制成。在高温下对腐蚀稳定的隔热层的薄表面层是由昂贵的合金制成的唯一元件。无论是提供预防性维护还是囊失效时，囊也可很容易地更换。囊的总制造成本可为由昂贵的耐高温腐蚀合金制成的容器和管道的制造成本的一小部分。

已经提供了辐射热隔层用于低温应用和用于炉温的应用，但是通常仅在囊在真空或非腐蚀性气氛中操作的情况下提供。本密封隔热囊的区别是提供了密封封罩，在其内部的高反射率的箔的层堆通过适度的间隙间隔开。反射表面的连续性抑制了从囊的一个面到另一个面的辐射传热。箔层由间隔物隔开，间隔物可为例如陶瓷凸片绝缘体，使得也减少了传导传热。囊内的空隙空间填充有低导热率的惰性气体，使得进一步阻止传导传热。两个薄表面层由耐高温腐蚀合金制成，例如哈氏合金，并且连结两个面层的焊缝位于囊侧面，其将面向容器或管道的较冷的壁，使得焊缝仅在容器中操作熔融流体的较低温度区域。

在一些实施例中，密封隔热囊制造为高反射率箔的层状组件，例如电解抛光的镍，其与一组陶瓷凸片或杆组装在一起，陶瓷凸片或杆定位成通过受控的间隔以隔开相邻的箔片，以及护套，其包括由耐高温腐蚀合金(例如哈氏合金)构成的一对片。给定金属的反射率是波长的函数。黑体辐射中发射的光谱是温度的函数。如本文所用，高反射率意味着描述大于或等于90％的反射率。可使用小于90％的反射率，但与更高的反射率相比，性能会降低。通过用第二材料涂覆箔可增加箔的反射率。例如，可在镍箔的表面上包含铑涂层以增强镍箔的反射率。涂层可为薄的(例如，微米厚度)。具有高熔融温度的其它反射材料可用作涂层(例如，金)。本文使用高温来识别800℃范围内的温度，但是本领域普通技术人员将认识到该温度可在较低和较高温度之间变化。这对表面层片通过焊接来连结和密封以形成密封囊的护套，当将囊安装在容器中并且容器填充熔融流体时，密封囊中的包含反射箔的封闭空间密封以免暴露于熔融流体。在一些实施例中，内表面层片例如通过模压成形，使得内表面层箔的边缘形成卷曲或杯状形状，其中唇缘朝向将成为囊的冷侧的位置定向。通过这种设置，焊缝在熔融流体温度差的冷端操作并且不易腐蚀。

在本发明的一个实施例中，整个密封隔热囊可制造成具有1-5cm的总厚度。柔性几何形状和小的排除容积使得密封隔热囊对于上述应用具有吸引力。

本发明的另一实施例是一种密封隔热囊，用于集中式太阳能设备中的大型熔盐储存容器和管道。在某些实施例中，隔热囊可用于改造现有的熔盐储存设备。

隔热囊包括耐腐蚀金属合金的内片和外片，它们在其边界处密封在一起以形成密封囊。至少一个反射箔设置成在囊内形成反射隔热层，并定位成在囊的内片和外片之间的空间中将至少一个反射箔隔开。多个反射箔可设置在囊内，每层之间具有间隔物。隔热囊可形成为管状并用于管的内部衬里，或可形成为平坦或弯曲的面板，其可用于罐或其它储存容器的内壁衬里。

附图说明

通过结合附图参考以下详细描述，可更完整地理解本发明的实施例，在附图中：

图1a是密封隔热囊系统的等距视图；

图1b是图1a的密封隔热囊系统的局部横截面视图；

图2是安装在管道中的密封隔热囊系统的图示；以及

图3是安装在罐内的密封隔热囊系统的图示；以及

图4是密封隔热囊系统400的实施例的局部示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述本发明的实施例。然而，本发明可以许多不同的形式实施，并且不应该解释为限于这里阐述的实施例。本发明应该仅被认为受限于它们现在存在的权利要求及其等同物。

图1a是密封隔热囊系统100的等距视图，而图1b是密封隔热囊系统100的局部横截面视图。图1和图2的囊系统100包括第一密封隔热囊102(1)和第二密封隔热囊102(2)。第一密封隔热囊102(1)和第二密封隔热囊102(2)包括类似的构件和结构。下面的第一密封隔热囊102(1)的描述也适用于第二密封隔热囊102(2)。图1a示出了第一密封隔热囊102(1)和第二密封隔热囊102(2)与彼此相邻定位的边缘10(1)和10(2)扁平布置。密封的隔热囊102可使用支架、系带等彼此固定并固定到容器壁。图1a中所示布置可用于容器的"壁纸"壁。在此实施例中，可根据需要使用多个密封隔热囊102来覆盖期望的区域。密封隔热囊102的形状可针对特定设备而定制。例如，密封隔热囊102不必是矩形形状，并且可构造成各种其它形状以更精确地配合在容器内。密封隔热囊102可折叠或操纵成其它形状以符合容器的轮廓。

在典型的实施例中，囊系统100的每个密封隔热囊102具有类似的构造。在图1b中类似构件已经给出了类似的数字。第一密封隔热囊102(1)包括内片104(1)和外片106(1)。内片104(1)和外片106(1)中的每一个由金属或合金制成，该金属或合金对于与容纳在容器中的流体接触的长期操作是耐腐蚀的。在一些实施例中，内片104(1)和外片106(1)由哈氏合金制成。在其它实施例中，可使用incoloy合金和高镍合金，如c-276(57％ni)、c-22(56％ni)和n(71％ni)。内片104(1)和外片106(1)在其边缘处连结在一起，以气密地密封囊的内部。边缘可通过焊缝连结在一起。为了保护焊缝免受高温影响，内片104(1)的边缘可折叠或卷回，使得焊接部分114(1)远离内侧1定位并且更靠近外侧2。内侧1是指暴露于高温流体(例如，熔盐)的一侧，而外侧2是指包含在流体内并邻接容器壁的一侧。在一些实施例中，内侧1可处于约800℃的温度，而外侧2可处于约500℃的温度。将焊接部分114(1)定位成远离内侧1改善了焊接部分114(1)的耐腐蚀性。

至少一个反射箔108(1)位于囊110(1)内。至少一个反射箔108(1)有助于减少从囊系统100的内侧1到囊系统100的外侧2的辐射传热。在使用期间，囊102(1)的内侧1处的流体处于期望的高温，例如800℃，并且处于容器壁和囊102(1)的外片106(1)之间的区域中的外侧2处的流体在容器壁的温度下操作，例如500℃。两个区域作为单个流体容积连接并且因此液压连接，但是内侧1和外侧2处的流体在不同温度下操作。容器壁处的流体温度限制为高于流体的熔融温度，使得外侧2处的流体不会冻结。在一些实施例中，至少一个反射箔108(1)包括多个箔。至少一个反射箔108(1)通过多个间隔物112(1)与内片104(1)和外片106(1)间隔开。在一些实施例中，至少一个反射箔108(1)由镍制成。

在一些实施例中，内片104(1)和外片106(1)各自包括沿密封隔热囊102(1)的整个边缘连结在一起的单独的片。在一些实施例中，内片104(1)和外片106(1)可通过将单片折叠成一半而形成。在此实施例中，沿折叠的一侧不需要连结，并且仅剩余的边缘连结在一起。

在一些实施例中，囊110(1)填充有低压惰性气体，例如，如氩气，其限制对流作为传热机制。可使用的其它气体包括ne、ar、n2、co2和kr。使用的气体在与囊内的箔接触时应该是化学惰性的。

如图1b所示，密封隔热囊102(1)包括多个间隔物112(1)，其有助于将至少一个辐射箔108(1)定位在囊110(1)内。多个间隔物112(1)可根据需要定位在整个囊110(1)中，以保持至少一个反射箔108在内片104(1)和外片106(1)之间的间隔(例如，见图2)。多个间隔物112可由各种材料制成，包括陶瓷(例如，纤维增强陶瓷)。总体上，多个隔离物112可由能够在密封隔热囊102暴露的高温下提供结构支承的材料制成。

图2是安装在管道201中的部分横截面的密封隔热囊系统200的图示。图2的囊系统200构造为密封隔热囊202的组件，其端对端地定位在管道201的整个节段内。第一密封隔热囊202(1)和第二密封隔热囊202(2)的部分在图2中示出。第一密封隔热囊202(1)和第二密封隔热囊202(2)包括类似的构件和结构。下面的第一密封隔热囊202(1)的描述也适用于第二密封隔热囊202(2)。囊系统200使管道201与通过囊系统200的热流体绝热。第一密封隔热囊202(1)和第二密封隔热囊202(2)具有与上面相对于图1a和1b讨论的密封隔热囊102类似的构造。类似的部分将赋予类似的部件号。第一密封隔热囊202(1)包括内管204(1)、外管206(1)、至少一个反射箔管208(1)、囊210(1)和多个间隔物212(在第二密封隔热囊202(2)的局部横截面中示出)。

内管204(1)和外管206(1)各自包括耐高温耐腐蚀合金的无缝管，例如，哈氏合金。内管204(1)和外管206(1)的无缝结构可通过从金属坯料中拉出所需尺寸的管而形成。外管206(1)包括的直径大于内管204(1)的直径，但小到足以装配在管道201内。内管204(1)和外管206(1)中的每一个包括第一端和第二端，当内管204(1)插入外管206(1)时，内管204(1)的第一端邻近外管206(1)的第一端。内管204(1)的相邻的第一和第二端分别连结到外管206(1)的第一和第二端，以在内管204(1)和外管206(1)之间的环形空间中形成囊。在典型的实施例中，内管204(1)的第一端和第二端从囊202(1)的内侧10朝向外管206(1)卷回。卷曲内管204(1)的第一端和第二端允许内管204(1)的第一端和第二端和外管206(1)的焊接远离流体温度最高的内侧10定位，并且更靠近流体温度较低的外侧12定位。以此方式定位焊缝可提高焊缝的耐腐蚀性。

至少一个反射箔管208(1)设置在内管204(1)和外管206(1)之间的囊210(1)中。在一些实施例中，至少一个反射箔管208(1)包括多层反射箔管208。每个反射箔管208通过将一片反射箔(例如镍)形成为具有适当直径的圆柱形管并通过点焊连接片的边缘而制成。使用多个间隔物212间隔开连续的反射箔管208。

在一些实施例中，通过囊系统200的热流体是温度为约800℃的熔盐。囊系统200可包括任何数量的密封隔热囊202，以形成具有所需长度的圆柱形壳，以配合在管道201的长度内。囊系统200使管道201与通过其中的流体的热隔离，这允许管道201由具有较低耐热性的较便宜的材料制成。

图3是安装在罐302内的密封隔热囊系统300的图示。在图3的实施例中，罐302的壁衬有多个面板304。罐302的内部可包含热流体，例如，如熔盐。多个面板304提供保护罐302免受热流体影响的绝热。每个面板304可包括一个或多个囊(类似于上面讨论的囊102,202)。例如，每个面板304可形成为单个囊或连结的囊的集合。每个面板304可根据特定应用的需要形成各种形状。例如，如图3中所示，示出了矩形和饼形面板304。本领域普通技术人员将理解，取决于应用，面板304可制成不同的形状。

在一些实施例中，多个管306可作为散热器缠绕在罐302周围，以提供额外的温度控制。在此实施例中，穿过多个管306的流体从罐302吸收热以从其中移除热量。

图4是密封隔热囊系统400的实施例的局部示意图。密封隔热囊系统400包括多个密封隔热囊402，其抵靠罐404的壁定位。密封隔热囊402可与上面讨论的密封隔热囊102,202和302类似地构造。图4示出了两个密封隔热囊402，但是可包括另外的囊402。多个密封热屏蔽囊402中的每个囊通过引线408联接到传感器406。引线408构造成穿过罐404的壁并联接到传感器406。在一些实施例中，传感器406是电传感器。在一些实施例中，传感器406联接到控制器410，控制器410监测来自传感器406的信息以监测每个密封隔热囊402的状况。例如，传感器406可监测每个密封隔热囊402内的化学物质以确定是否已形成泄漏。在一些实施例中，传感器406测量密封隔热囊402内的惰性气体的电阻。

在密封隔热囊402形成泄漏的情况下，传感器406测量囊内惰性气体的化学变化。在包括控制器410的实施例中，控制器410检测密封隔热囊402内的化学变化。然后，控制器410可识别泄漏的密封隔热囊402并且可采取适当的动作。例如，可修复或更换泄漏的密封隔热囊402。在一些实施例中，诸如氮气的气体源与压力调节器连接以将气体吹扫到泄漏的密封隔热囊402中，以防止熔盐在一段时间内填充该囊，同时人们准备替换囊作为定期维护。

除非另有说明或在所使用的上下文中以其它方式理解，否则本文使用的条件语言，例如"可"、"可能"、"可以"、"例如"等大体是旨在表达某些实施例包括，而其它实施例不包括某些特征、元件和/或状态。因此，这种条件语言大体不旨在暗示一个或多个实施例以任何方式需要特征、元件和/或状态，或一个或多个实施例必须包括用于在有或没有作者输入或提示的情况下决定这些特征、元件和/或状态包括在任何特定实施例中或将在任何特定实施例中执行的逻辑。

虽然以上详细描述已经示出、描述并指出了应用于各种实施例的新颖特征，但是应当理解，在不脱离本公开的精神的情况下，可对所示装置或算法的形式和细节进行各种省略、替换和改变。如将认识到的，本文描述的过程可体现为不提供本文阐述的所有特征和益处的形式，因为一些特征可与其它特征分开使用或实践。保护范围由所附权利要求限定，而不是由前面的描述限定。在权利要求的含义和等同范围内的所有变化都应包含在其范围内。

尽管已经在附图中示出了本发明的各种实施例并且在前面的具体实施方式中进行了描述，但是应该理解，本发明不限于所公开的实施例，而是能够进行多次重新布置、修改和替换，而不脱离本文所述的本发明的精神。