CN101893339A - 分离式真空管-套管组合高温储热器 - Google Patents

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刘振华
宋斌
赵峰
肖红升
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Abstract

一种太阳能利用技术领域的分离式真空管-套管组合高温储热器，包括：若干根玻璃真空管、保温塞、传热套管、高温固固储热材料、镜面铝箔、保温材料、泡沫塑料支架和钢板箱，其中：若干根玻璃真空管位于钢板箱内且其间分别设有泡沫塑料支架和保温材料，传热套管位于每一根玻璃真空管内且其间套接有高温固固储热材料，镜面铝箔包覆于玻璃真空管的外部。本发明结构简单，系统稳定且能耐压，通过选择不同的储热材料，工质出口温度可稳定持续在120度到190℃之间的某一特定温度区间。

Description

分离式真空管-套管组合高温储热器
技术领域
本发明涉及的是一种太阳能利用技术领域的装置，具体是一种分离式真空管-套管组合高温储热器。
背景技术
近年来由于社会经济快速的发展，使得人们对能源的节约利用和可再生能源技术的开发利用日益重视。在各种形式的能源利用中以热形式存在的占据着相当的比重，比如加热制冷。但是由于各种原因，如环境本身的日夜更替潮起潮落造成太阳能、潮汐能的大幅波动，或是人们生产生活本身的特点造成的用电会有谷峰谷底，所以经常会产生我们刚刚生产出来的可利用的热资源却超出了我们当时用度，最终只好白白浪费掉。于是储热技术的发展日新月异，目前储热技术多集中于低温生活用和高温发电用，但在100度至200度区间的储热应用寥寥无几。而且绝大多数都是采用的固液相变储热，由于固液相变本身的特点决定的过冷度大，相分离，腐蚀性高等缺点造成长时间使用后性能下降明显稳定性差。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN201032291记载了一种太阳能储热单元及其构成的整体式太阳能热水器，其特征在于包括真空集热管和储热组件，储热组件设置在真空集热管内，储热组件又包括封闭管、进水管和出水管。因为其储热介质为水，所以无法保证恒定温度的输出。
进一步检索发现，中国专利文献号CN201327216记载了一种复合能源太阳能相变蓄热供热装置，其主要含有太阳能集热管、相变蓄热体，特点是相变蓄热体置于太阳能集热管内，出水支管置于相变蓄热体中，进水支管置于出水支管内。虽然其相变蓄热体置于太阳能集热管内，实现了太阳能集热供热装置无水箱化。但是其所采用的是低温固液相变材料，无法产生应用于工业要求的高温蒸汽。而且固液相变材料存在本身的相分离，过冷度大等缺点，使其热转换效率较低。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种分离式真空管-套管组合高温储热器，可稳定的提供用于太阳能热发电、太阳能空凋和工业蒸汽等各种工业用途的高温空气或水蒸气。本发明结构简单，核心思想就是将高温固固储热材料通过一定的工艺加工成圆环型状紧套在传热套管上降低其传热热阻，提高热利用率。再将其置于真空玻璃真空管中保温，玻璃真空管的外壁包覆一层铝箔降低辐射散热。储热能力则可实现随着天气变化而晴蓄阴放。系统稳定且能耐压，通过选择不同的储热材料，工质出口温度可稳定持续在120度到190℃之间的某一特定温度区间。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：若干根玻璃真空管、传热套管、高温固固储热材料、镜面铝箔、保温材料、泡沫塑料支架和钢板箱，其中：若干根玻璃真空管位于钢板箱内且其间分别设有泡沫塑料支架和保温材料，传热套管位于每一根玻璃真空管内且其间套接有高温固固储热材料，镜面铝箔包覆于玻璃真空管的外部。
所述的玻璃真空管的上端部和传热套管管壁之间设有保温塞进行密封。
所述的传热套管由若干不同直径的铜管内外嵌套设置组成。
所述的镜面铝箔起到降低辐射换热的作用。
所述的保温材料由玻璃纤维保温棉制成，起到降低玻璃真空管向外界的传热热损。
所述的泡沫塑料支架采用耐高温聚氨酯发泡塑料制成，其高度方向设有半沉孔用以支撑和固定玻璃真空管。
所述的钢板箱为长方体结构，具体为用以放置和保护真空玻璃真空管和保温材料的壳体装置。
所述的储热材料是由加工成型后的固固相变储热材料(例如；季戊四醇(PE))构成。目前的储热材料主要为两类，一类为固液相变储热材料，一类为固固相变储热材料。由于考虑到固液相变材料的过冷度大，相分离，体积变化率大，腐蚀性高等缺点，本发明决定采用固固相变储热材料作为储能的手段。目前研究较多的为交联高密度聚乙烯，层状钙钛矿和多元醇，而应用得比较多的是多元醇。表1列出的为部分高温相变材料的属性表。
表1
Figure BDA0000025341630000021
本发明应用对象为100度以上的工业用高温蒸汽为流动介质的储热和放热过程。PE季戊四醇和TAM三羟甲基氨基甲烷都是合适的固固储热材料。而在实际应用中储热原材料多为颗粒状，为了提高储热材料的导热系数，同时也为了降低储热材料在相变时的过冷度。采取将大约1％比例的1000目的石墨粉末与储热材料混合均匀，然后经过高温加工成型使混合物宏观状态由颗粒状变成了一个整体。其整体导热率比颗粒状态时大为提高。
本发明工作过程如下，工质从入口管进入进口腔，进口腔是一个金属圆管，它套在套管外管外面并和外管焊接固定，工质从进口腔中进入套管外管，经过对流换热后进入套管内管流出。若工质温度超过储热材料的相变温度，其热能就会经过对流换热传导给储能材料并通过相变的形式储存下来。反之储热材料就会发生相反的相变反应，从而热能就会由储热材料通过对流换热传导给工质。所以通过储热材料的蓄热放热可以实现流动工质的稳定温度输出。实验发现，当储热材料蓄热完毕后，单独一根集热管可以在失去太阳辐射的情况下保持5h以上的50W功率持续输出的状态。数根储热管连接组成的储热装置可以实现连续24小时的稳定输出。这样在太阳辐射强度变弱或是夜晚的时候，储热材料将储存的能量释放出来可以维持整个系统的不停歇运作。
与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：对工质进行加热的组件包括玻璃真空管、储热材料，传热套管，保温材料几个主要部分，结构简单、环保、低价和可靠性好。一体成型化的储热材料比颗粒状的具有更高的导热系数和更小的过冷度。储热材料置于真空集热管内再辅以铝箔和保温材料具有非常优秀的隔热保温效果。
附图说明
图1是储热管的结构示意图。
图2是储热材料外形示意图。
图3是分离式真空管-套管式高温储热器总体结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1至图3所示，本实施例包括：若干根玻璃真空管1、传热套管2、高温固固储热材料3、镜面铝箔4、保温材料5、泡沫塑料支架6和钢板箱7，其中：若干根玻璃真空管1位于钢板箱7内且其间分别设有泡沫塑料支架6和保温材料5，传热套管2位于每一根玻璃真空管1内且其间套接有高温固固储热材料3，镜面铝箔4包覆于玻璃真空管1的外部。
所述的传热套管2包括：弹性波纹肋板8、外套管9和内套管10，其中：外套管9的顶部焊接井字形钢架，内套管10与井字形钢架焊接在一起，传热套管2外管和传热套管2内管之间设有弹性波纹肋板8。
所述的外套管9与玻璃真空管1之间设有弹簧支持卡11，外套管9紧套高温固固储热材料3
所述的玻璃真空管1的上端部和传热套管2管壁之间设有保温塞12进行密封。
所述的传热套管2由若干不同直径的铜管13内外嵌套设置组成。
所述的保温材料5由玻璃纤维保温棉制成。
所述的泡沫塑料支架6采用耐高温聚氨酯发泡塑料制成，其高度方向设有半沉孔14用以支撑和固定玻璃真空管1。
所述的钢板箱7为长方体结构，具体为用以放置和保护真空玻璃真空管1和保温材料5的壳体装置。
所述的玻璃真空管1由双层玻璃熔融密封后抽真空制成，其内部为真空夹层，真空夹层底部设有弹簧支撑卡。
如图2所示，经过热加工后呈环形状的高温固固储热材料3，其内部混有1％左右的石墨粉末，可以降低过冷度和提高导热系数。其内径略微小于套管外径，通过热胀冷缩的方式套在套管的外管上。
如图3所示，为数个储热管组件连接后的装置总体结构示意图，工质通过进口管进入到套管中最后由出口流出，储热管通过连接管相连通并放置于一个钢板箱7中。其中聚氨酯泡沫塑料起到固定保护作用，在玻璃真空管1外面是一层镜面铝箔4，玻璃真空管1之间的空间填充着玻璃纤维保温棉。
本实施例中的太阳能真空管-套管组合式高温储热器，可提供用于太阳能热发电、太阳能空凋和工业蒸汽等各种工业用途。太阳能热利用率高，通过采用不同的高温蓄热材料，能将工质集热温度稳定的保持在120℃-190℃之间。本装置通过将储热材料PE由工业常见的颗粒状加工成圆环状，极大的提高了储热材料的导热系数，导热系数由0.147W/m2/K提高到0.91W/m2/K，储热效率大幅提高。同时在加工过程中掺杂1％左右的石墨颗粒作为相变核心可以有效的降低传热材料相变过冷度。

Claims (9)

1.一种分离式真空管-套管组合高温储热器，包括：若干根玻璃真空管、传热套管、高温固固储热材料、镜面铝箔、保温材料、泡沫塑料支架和钢板箱，其特征在于：若干根玻璃真空管位于钢板箱内且其间分别设有泡沫塑料支架和保温材料，传热套管位于每一根玻璃真空管内且其间套接有高温固固储热材料，镜面铝箔包覆于玻璃真空管的外部。
2.根据权利要求1所述的分离式真空管-套管组合高温储热器，其特征是，所述的传热套管包括：弹性波纹肋板、外套管和内套管，其中：外套管的顶部焊接井字形钢架，内套管与井字形钢架焊接在一起，传热套管外管和传热套管内管之间设有弹性波纹肋板。
3.根据权利要求1所述的分离式真空管-套管组合高温储热器，其特征是，所述的外套管与玻璃真空管之间设有弹簧支持卡，外套管紧套高温固固储热材料。
4.根据权利要求1所述的分离式真空管-套管组合高温储热器，其特征是，所述的玻璃真空管的上端部和传热套管管壁之间设有保温塞进行密封。
5.根据权利要求1所述的分离式真空管-套管组合高温储热器，其特征是，所述的传热套管由若干不同直径的铜管内外嵌套设置组成。
6.根据权利要求1所述的分离式真空管-套管组合高温储热器，其特征是，所述的保温材料由玻璃纤维保温棉制成。
7.根据权利要求1所述的分离式真空管-套管组合高温储热器，其特征是，所述的泡沫塑料支架采用耐高温聚氨酯发泡塑料制成，其高度方向设有半沉孔用以支撑和固定玻璃真空管。
8.根据权利要求1所述的分离式真空管-套管组合高温储热器，其特征是，所述的钢板箱为长方体结构，具体为用以放置和保护真空玻璃真空管和保温材料的壳体装置。
9.根据权利要求1所述的分离式真空管-套管组合高温储热器，其特征是，所述的玻璃真空管由双层玻璃熔融密封后抽真空制成，其内部为真空夹层，真空夹层底部设有弹簧支撑卡。
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