專利名稱：一種組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高溫相變儲熱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自上世紀(jì)70年代世界能源危機(jī)以來，儲熱技術(shù)的基礎(chǔ)應(yīng)用研究在發(fā)達(dá)國家迅速崛起并不斷發(fā)展，現(xiàn)在已成為開發(fā)新能源，解決能量供求在時間和強度上不匹配，提高能源利用效率的重要技術(shù)之一。相變材料作為一種儲熱材料可以將多余的能源儲存起來，并根據(jù)不同的需求釋放出來，使能源得到合理的利用。相變儲熱技術(shù)已應(yīng)用在太陽能熱發(fā)電、工業(yè)熱利用以及余熱回收、電力調(diào)峰、建筑節(jié)能、農(nóng)業(yè)溫室、航空航天器材等領(lǐng)域。其中，太陽能熱發(fā)電更是最有前途的儲熱方式之一，近年來在世界許多國家得到了快速的發(fā)展。針對太陽能熱發(fā)電的需求，高溫相變儲熱材料成為日益受到重視的新型材料。在太陽能熱發(fā)電技術(shù)中，由于太陽能聚光產(chǎn)生的溫度高，選擇可靠高效的高溫傳熱蓄熱工作介質(zhì)及儲熱裝置是提高太陽能熱發(fā)電效率的關(guān)鍵。已研究的高溫相變材料主要有單純鹽，主要為某些堿金屬或堿土金屬的氟化物、 氯化物以及碳酸鹽。金屬與合金，比如鋁及其合金因其熔化熱大，導(dǎo)熱性高，蒸汽壓力低，是一種較好的蓄熱物質(zhì)。堿，其比熱高，熔化熱大，穩(wěn)定性強，高溫下的蒸汽壓力低，價格便宜， 也是較好的蓄熱物質(zhì)?；旌消}的最大優(yōu)點是物質(zhì)的熔融溫度可調(diào)，可根據(jù)需要將各種鹽類配制成100 1000°C溫度范圍內(nèi)使用的蓄熱物質(zhì)。氧化物，大部分用作潛在相變材料的氧化物的使用溫度很高，熔化熱較大。相變材料一般需要容器封裝才能使用，其方式主要有兩種一是將相變材料整體進(jìn)行封裝作為儲熱元件；二是與其它材料復(fù)合制成復(fù)合蓄熱元件用于儲熱系統(tǒng)。早期多使用大金屬容器封裝相變材料，通常在制造工藝上較易實現(xiàn)的是圓柱形、方形或球形，其主要缺點是容器內(nèi)封裝的相變物質(zhì)體積比較大，不利于相變過程中熱量交換，導(dǎo)致相變不徹底。因此，在高溫相變儲熱方面還存有較大的局限性。高溫時，無機(jī)鹽等相變材料對容器的腐蝕性很大，對容器的耐腐蝕要求很高。材料的熱物性測試技術(shù)比較單一，且對測試條件要求很高；在整個儲熱系統(tǒng)中要求儲熱元件有很高的儲熱效率，導(dǎo)熱性好，儲熱量高，能大規(guī)模使用。但是，現(xiàn)階段高效的規(guī)?；瘍嵯到y(tǒng)還不多見，特別是在太陽能及余熱利用方面，高溫相變儲熱系統(tǒng)技術(shù)還有很多問題需要解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種儲熱效率高，導(dǎo)熱性好，儲熱量高，能大規(guī)模使用的組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)。本發(fā)明提出的組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)，由若干個高溫相變儲熱芯裝置按一定方式組合而成；此外，還設(shè)有一個溫控單元，該溫控單元包括熱電偶和控溫儀，熱電偶測溫端套有保護(hù)管，置于某個高溫相變儲熱芯裝置的相變材料里面，另一端與控溫儀相連。本發(fā)明中，高溫相變儲熱芯可采用如下結(jié)構(gòu)，它包括加熱元件、耐蝕容器及換熱裝
3置。其中，耐蝕容器外壁是立方體形，由耐高溫不銹鋼焊接而成，中心是圓形空心鋼管，空心鋼管與耐蝕容器內(nèi)壁之間焊接有不銹鋼翅片，高溫相變材料置于耐蝕容器中；加熱元件在耐蝕容器的空心鋼管中間，由里向外傳熱；換熱裝置在耐蝕容器外部，與耐蝕容器焊接為具有一定厚度空氣層的密封整體，外觀上呈立方體狀，裝置上口對角處設(shè)置有換熱氣體進(jìn)、出本發(fā)明中，根據(jù)不同的儲熱需求，可把若干高溫相變儲熱芯按一定的方式組合起來以達(dá)到一定的儲熱量，利用同一熱源進(jìn)行蓄熱；溫控儀可以獨立控制所有高溫相變儲熱芯，并控制整個系統(tǒng)；另外，在整體系統(tǒng)外面還可設(shè)有保溫結(jié)構(gòu)，以減少熱量散熱。運行時只需對其中一個高溫相變儲熱芯進(jìn)行控制即可控制整個儲熱系統(tǒng)，操作簡單，使用方便，且整個系統(tǒng)的儲熱量可調(diào)，儲熱效率高，適用范圍廣，設(shè)備投資少，便于維修， 適用性強。進(jìn)一步，本發(fā)明中
所述的高溫相變材料為無機(jī)鹽相變材料的一種或幾種，所述無機(jī)鹽相變材料如氯化鋰、碳酸鈉或碳酸鋰等。所述的加熱元件可為硅碳棒，加熱溫度達(dá)1000°C。所述的耐蝕容器可為耐高溫腐蝕不銹鋼316L。所述的換熱裝置可為氣體換熱系統(tǒng)。 所述的保溫結(jié)構(gòu)可由耐高溫保溫材料組成。所述的熱電偶可為K型高溫?zé)犭娕?。所述的控溫儀可采用TCW-32A型控溫儀。圖1為本發(fā)明提出的組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)示意圖。圖中包括高溫相變儲熱芯 1，保溫結(jié)構(gòu)2，熱電偶3，控溫儀4 ；高溫相變儲熱芯1包括加熱元件5，耐蝕容器6，換熱裝置7。其中高溫相變材料放于高溫相變儲熱芯1內(nèi)，多個高溫相變儲熱芯1以不同的排列方式置于保溫結(jié)構(gòu)2中，溫控單元通過置于高溫相變儲熱芯1內(nèi)相變材料里面的熱電偶3和控溫儀4來控制所有儲熱芯和系統(tǒng)的溫度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點①本設(shè)計體現(xiàn)了組合式思想，模塊化使用，易于放大。②使用范圍廣，可針對不同的無機(jī)鹽，高溫相變儲熱芯可設(shè)計出不同的形式， 也可依據(jù)溫度分布不同無機(jī)鹽在同一系統(tǒng)混合儲熱。③可根據(jù)儲熱量要求將高溫相變儲熱芯設(shè)計成不同的組合方式，使用時獨立控制所有高溫相變儲熱芯，并控制整個系統(tǒng)，操作簡單，使用方便。④儲熱量可調(diào)，儲熱效率高。⑤設(shè)備投資少，成本低廉，便于維修，適用性強。


圖1為一種組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖(由4個高溫相變儲熱芯組成)。圖2為一種組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖(由9個高溫相變儲熱芯組成)。圖3為單個高溫相變儲熱芯結(jié)構(gòu)圖示。圖4為圖3所示高溫相變儲熱芯結(jié)構(gòu)的橫截面圖。圖中標(biāo)號1為高溫相變儲熱芯，2為保溫結(jié)構(gòu)，3為熱電偶，4為控溫儀，5為加熱元件，6為耐蝕容器，7為換熱裝置。
具體實施例方式實施例1
用電子秤稱取40kg無機(jī)鹽相變材料氯化鋰(LiCl)，在每個高溫相變儲熱芯1中裝入M=IOkg的氯化鋰(LiCl)，然后將4個高溫相變儲熱芯1放入到保溫結(jié)構(gòu)2中，組建圖 1所示的儲熱系統(tǒng)，然后將熱電偶3的測溫端套上陶瓷保護(hù)管插入到高溫相變儲熱芯1相變材料中，熱電偶3另一端連接到控溫儀4上，蓋上保溫蓋。設(shè)置控溫儀上限溫度，接通加熱元件電源，對裝置進(jìn)行加熱。當(dāng)溫度達(dá)到相變材料相變溫度以上某溫度時停止加熱， 根據(jù)停止加熱時的材料溫度可計算出組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)及其裝置的總儲熱量。組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)及其裝置的總儲熱量包括相變材料的顯熱和潛熱，計算公式為
E = nM[cp(Ts — FJ-ΔΗ]。其中，I為單個高溫相變儲熱芯里相變材料的質(zhì)量，Cp為相變
材料比熱容，7；為相變材料到達(dá)的溫度，Tw為室溫，」//為相變材料的相變熱，為高溫相變儲熱芯個數(shù)。由上述公式可以算出當(dāng)溫度達(dá)到/;=650°C時儲熱裝置的儲熱量為E=48MJ，能達(dá)到高效儲熱的目的。實施例2
用電子秤分別稱取Mkg碳酸鈉(妝20)3)和16kg碳酸鋰(Li2CO3)無機(jī)鹽相變材料，在每個高溫相變儲熱芯1中裝入H^ekg碳酸鈉(Na2CO3)和m2=4kg碳酸鋰(Li2CO3)混合均勻后的無機(jī)鹽，然后將4個高溫相變儲熱芯1放入到保溫結(jié)構(gòu)2中，組建圖1所示的儲熱系統(tǒng)， 然后將熱電偶3的測溫端套上陶瓷保護(hù)管插入到相變材料中，熱電偶3另一端接到控溫儀4 上，蓋上保溫蓋。設(shè)置控溫儀上限溫度，接通加熱元件電源，對材料進(jìn)行加熱。當(dāng)溫度達(dá)到相變材料相變溫度以上某溫度時停止加熱，根據(jù)停止加熱時的材料溫度可計算出組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)及其裝置的總儲熱量。組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)及其裝置的總儲熱量包括
相變材料的顯熱和潛熱，計算公式為￡ = wmK^g- 7^) 4 。其中，I為單個高溫相變
儲熱芯里混合相變材料的總質(zhì)量，cp為混合相變材料比熱容，Ts為相變材料到達(dá)的溫度，Tm 為室溫，」//為混合相變材料的相變熱，為高溫相變儲熱芯個數(shù)。由上述公式可以算出當(dāng)溫度達(dá)到/;=550°C時儲熱裝置的儲熱量為E=46MJ，能達(dá)到高效儲熱的目的。實施例3
用電子秤分別稱取^kg碳酸鈉(妝20)3)和36kg碳酸鋰(Li2CO3)無機(jī)鹽相變材料，在每個高溫相變儲熱芯1中裝入n^ekg碳酸鈉(Na2CO3)和m2=4kg碳酸鋰(Li2CO3)混合均勻后的無機(jī)鹽，然后將9個高溫相變儲熱芯1放入到保溫結(jié)構(gòu)2中，組建圖2所示的儲熱系統(tǒng)， 然后將熱電偶3的測溫端套上陶瓷保護(hù)管插入到相變材料中，熱電偶3另一端接到控溫儀4 上，蓋上保溫蓋。設(shè)置控溫儀上限溫度，接通加熱元件電源，對相變儲熱芯進(jìn)行加熱。當(dāng)溫度達(dá)到相變材料相變溫度以上某溫度時停止加熱，根據(jù)停止加熱時的材料溫度可計算出組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)及其裝置的總儲熱量。組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)及其裝置的總儲熱
量包括相變材料的顯熱和潛熱，計算公式為E = —Φ.Ρ(7； - W ； AH]。I為單個高溫相變
儲熱芯里混合相變材料的總質(zhì)量，cp為混合相變材料比熱容，Ts為相變材料到達(dá)的溫度，Tm 為室溫，」//為混合相變材料的相變熱，為高溫相變儲熱芯個數(shù)。由上述公式可以算出當(dāng)
5溫度達(dá)到/;=550°C時儲熱裝置的儲熱量為E=103. 5MJ，能達(dá)到高效儲熱的目的。
權(quán)利要求
1.一種組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)，其特征在于由若干個高溫相變儲熱芯裝置按一定方式組合而成；并設(shè)有一個溫控單元，該溫控單元包括熱電偶和控溫儀，熱電偶測溫端套有保護(hù)管，置于某個高溫相變儲熱芯裝置的相變材料里面，另一端與控溫儀相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)，其特征在于所述高溫相變儲熱芯包括加熱元件、耐蝕容器及換熱裝置；其中，耐蝕容器外壁是立方體形，由耐高溫不銹鋼焊接而成，中心是圓形空心鋼管，空心鋼管與耐蝕容器內(nèi)壁之間焊接有不銹鋼翅片，高溫相變材料置于耐蝕容器中；加熱元件在耐蝕容器的空心鋼管中間，由里向外傳熱；換熱裝置在耐蝕容器外部，與耐蝕容器焊接為具有一定厚度空氣層的密封整體，外觀上呈立方體狀，裝置上口對角處設(shè)置有換熱氣體進(jìn)、出口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)，其特征在整個系統(tǒng)的外層設(shè)有保溫結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)，其特征在于所述的高溫相變材料為無機(jī)鹽相變材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)，其特征在于所述的加熱元件為硅碳棒，加熱溫度達(dá)1000°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)，其特征在于所述的帶翅片的耐蝕容器的材料采用耐高溫腐蝕不銹鋼316L。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)，其特征在于所述的保溫結(jié)構(gòu)由耐高溫保溫材料組成。
全文摘要
本發(fā)明屬于高溫相變儲熱材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種組合式高溫相變儲熱系統(tǒng)。本發(fā)明由若干個高溫相變儲熱芯裝置按一定方式組合而成；經(jīng)組合式、模塊化使用，以達(dá)到儲熱量大、儲熱效率高的目的。高溫相變儲熱芯可以設(shè)計成不同的結(jié)構(gòu)形式，然后根據(jù)不同的儲熱需求，把高溫相變儲熱芯按一定的方式組合起來使用以達(dá)到一定的儲熱量，可利用同一熱源進(jìn)行儲熱，在整個儲熱系統(tǒng)外面是保溫結(jié)構(gòu)，以減少熱量散熱。運行時只需對其中一個高溫相變儲熱芯進(jìn)行控制即可控制整個儲熱系統(tǒng)，操作簡單，使用方便，且整個系統(tǒng)的儲熱量可調(diào)，儲熱效率高，適用范圍廣，設(shè)備投資少，便于維修，適用性強。
文檔編號F28D20/02GK102221303SQ20111013793
公開日2011年10月19日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者張東, 張洋, 李明廣, 李月鋒 申請人:同濟(jì)大學(xué)