CN102221303A - 一种组合式高温相变储热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高温相变储热材料技术领域，具体为一种组合式高温相变储热系统。本发明由若干个高温相变储热芯装置按一定方式组合而成；经组合式、模块化使用，以达到储热量大、储热效率高的目的。高温相变储热芯可以设计成不同的结构形式，然后根据不同的储热需求，把高温相变储热芯按一定的方式组合起来使用以达到一定的储热量，可利用同一热源进行储热，在整个储热系统外面是保温结构，以减少热量散热。运行时只需对其中一个高温相变储热芯进行控制即可控制整个储热系统，操作简单，使用方便，且整个系统的储热量可调，储热效率高，适用范围广，设备投资少，便于维修，适用性强。
Description
技术领域
本发明属于高温相变储热技术领域，具体涉及一种组合式高温相变储热系统。
背景技术
自上世纪70年代世界能源危机以来，储热技术的基础应用研究在发达国家迅速崛起并不断发展，现在已成为开发新能源，解决能量供求在时间和强度上不匹配，提高能源利用效率的重要技术之一。相变材料作为一种储热材料可以将多余的能源储存起来，并根据不同的需求释放出来，使能源得到合理的利用。相变储热技术已应用在太阳能热发电、工业热利用以及余热回收、电力调峰、建筑节能、农业温室、航空航天器材等领域。其中，太阳能热发电更是最有前途的储热方式之一，近年来在世界许多国家得到了快速的发展。针对太阳能热发电的需求，高温相变储热材料成为日益受到重视的新型材料。在太阳能热发电技术中，由于太阳能聚光产生的温度高，选择可靠高效的高温传热蓄热工作介质及储热装置是提高太阳能热发电效率的关键。
已研究的高温相变材料主要有：单纯盐，主要为某些碱金属或碱土金属的氟化物、氯化物以及碳酸盐。金属与合金，比如铝及其合金因其熔化热大，导热性高，蒸汽压力低，是一种较好的蓄热物质。碱，其比热高，熔化热大，稳定性强，高温下的蒸汽压力低，价格便宜，也是较好的蓄热物质。混合盐的最大优点是物质的熔融温度可调，可根据需要将各种盐类配制成100～1000℃温度范围内使用的蓄热物质。氧化物，大部分用作潜在相变材料的氧化物的使用温度很高，熔化热较大。相变材料一般需要容器封装才能使用，其方式主要有两种：一是将相变材料整体进行封装作为储热元件；二是与其它材料复合制成复合蓄热元件用于储热系统。早期多使用大金属容器封装相变材料，通常在制造工艺上较易实现的是圆柱形、方形或球形，其主要缺点是容器内封装的相变物质体积比较大，不利于相变过程中热量交换，导致相变不彻底。
因此，在高温相变储热方面还存有较大的局限性。高温时，无机盐等相变材料对容器的腐蚀性很大，对容器的耐腐蚀要求很高。材料的热物性测试技术比较单一，且对测试条件要求很高；在整个储热系统中要求储热元件有很高的储热效率，导热性好，储热量高，能大规模使用。但是，现阶段高效的规模化储热系统还不多见，特别是在太阳能及余热利用方面，高温相变储热系统技术还有很多问题需要解决。
发明内容
本发明的目的在于提出一种储热效率高，导热性好，储热量高，能大规模使用的组合式高温相变储热系统。
本发明提出的组合式高温相变储热系统，由若干个高温相变储热芯装置按一定方式组合而成；此外，还设有一个温控单元，该温控单元包括热电偶和控温仪，热电偶测温端套有保护管，置于某个高温相变储热芯装置的相变材料里面，另一端与控温仪相连。
本发明中，高温相变储热芯可采用如下结构，它包括加热元件、耐蚀容器及换热装置。其中，耐蚀容器外壁是立方体形，由耐高温不锈钢焊接而成，中心是圆形空心钢管，空心钢管与耐蚀容器内壁之间焊接有不锈钢翅片，高温相变材料置于耐蚀容器中；加热元件在耐蚀容器的空心钢管中间，由里向外传热；换热装置在耐蚀容器外部，与耐蚀容器焊接为具有一定厚度空气层的密封整体，外观上呈立方体状，装置上口对角处设置有换热气体进、出口。
本发明中，根据不同的储热需求，可把若干高温相变储热芯按一定的方式组合起来以达到一定的储热量，利用同一热源进行蓄热；温控仪可以独立控制所有高温相变储热芯，并控制整个系统；另外，在整体系统外面还可设有保温结构，以减少热量散热。
运行时只需对其中一个高温相变储热芯进行控制即可控制整个储热系统，操作简单，使用方便，且整个系统的储热量可调，储热效率高，适用范围广，设备投资少，便于维修，适用性强。
进一步，本发明中：
所述的高温相变材料为无机盐相变材料的一种或几种，所述无机盐相变材料如氯化锂、碳酸钠或碳酸锂等。
所述的加热元件可为硅碳棒，加热温度达1000℃。
所述的耐蚀容器可为耐高温腐蚀不锈钢316L。
所述的换热装置可为气体换热系统。
所述的保温结构可由耐高温保温材料组成。
所述的热电偶可为K型高温热电偶。
所述的控温仪可采用TCW-32A型控温仪。
图1为本发明提出的组合式高温相变储热系统示意图。图中包括高温相变储热芯1，保温结构2，热电偶3，控温仪4；高温相变储热芯1包括加热元件5，耐蚀容器6，换热装置7。其中高温相变材料放于高温相变储热芯1内，多个高温相变储热芯1以不同的排列方式置于保温结构2中，温控单元通过置于高温相变储热芯1内相变材料里面的热电偶3和控温仪4来控制所有储热芯和系统的温度。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：①本设计体现了组合式思想，模块化使用，易于放大。②使用范围广，可针对不同的无机盐，高温相变储热芯可设计出不同的形式，也可依据温度分布不同无机盐在同一系统混合储热。③可根据储热量要求将高温相变储热芯设计成不同的组合方式，使用时独立控制所有高温相变储热芯，并控制整个系统，操作简单，使用方便。④储热量可调，储热效率高。⑤设备投资少，成本低廉，便于维修，适用性强。
附图说明
图1为一种组合式高温相变储热系统结构示意图(由4个高温相变储热芯组成)。
图2为一种组合式高温相变储热系统结构示意图(由9个高温相变储热芯组成)。
图3为单个高温相变储热芯结构图示。
图4为图3所示高温相变储热芯结构的横截面图。
图中标号：1为高温相变储热芯，2为保温结构，3为热电偶，4为控温仪，5为加热元件，6为耐蚀容器，7为换热装置。
具体实施方式
实施例1：
用电子秤称取40kg 无机盐相变材料氯化锂（LiCl），在每个高温相变储热芯1中装入M=10kg的氯化锂（LiCl），然后将4个高温相变储热芯1放入到保温结构2中，组建图1所示的储热系统，然后将热电偶3的测温端套上陶瓷保护管插入到高温相变储热芯1相变材料中，热电偶3另一端连接到控温仪4上，盖上保温盖。设置控温仪上限温度，接通加热元件电源，对装置进行加热。当温度达到相变材料相变温度以上某温度时停止加热，根据停止加热时的材料温度可计算出组合式高温相变储热系统及其装置的总储热量。组合式高温相变储热系统及其装置的总储热量包括相变材料的显热和潜热，计算公式为 。其中，M为单个高温相变储热芯里相变材料的质量，c p 为相变材料比热容，T s 为相变材料到达的温度，T m 为室温，ΔH为相变材料的相变热，n为高温相变储热芯个数。由上述公式可以算出当温度达到T s =650℃时储热装置的储热量为E=48MJ，能达到高效储热的目的。
实施例2：
用电子秤分别称取24kg碳酸钠（Na2CO3）和16kg碳酸锂（Li2CO3）无机盐相变材料，在每个高温相变储热芯1中装入m1=6kg碳酸钠（Na2CO3）和m2=4kg碳酸锂（Li2CO3）混合均匀后的无机盐，然后将4个高温相变储热芯1放入到保温结构2中，组建图1所示的储热系统，然后将热电偶3的测温端套上陶瓷保护管插入到相变材料中，热电偶3另一端接到控温仪4上，盖上保温盖。设置控温仪上限温度，接通加热元件电源，对材料进行加热。当温度达到相变材料相变温度以上某温度时停止加热，根据停止加热时的材料温度可计算出组合式高温相变储热系统及其装置的总储热量。组合式高温相变储热系统及其装置的总储热量包括相变材料的显热和潜热，计算公式为
。其中，M为单个高温相变储热芯里混合相变材料的总质量，c p 为混合相变材料比热容，T s 为相变材料到达的温度，T m 为室温，ΔH为混合相变材料的相变热，n为高温相变储热芯个数。由上述公式可以算出当温度达到T s =550℃时储热装置的储热量为E=46MJ，能达到高效储热的目的。
实施例3：
用电子秤分别称取54kg碳酸钠（Na2CO3）和36kg碳酸锂（Li2CO3）无机盐相变材料，在每个高温相变储热芯1中装入m1=6kg碳酸钠（Na2CO3）和m2=4kg碳酸锂（Li2CO3）混合均匀后的无机盐，然后将9个高温相变储热芯1放入到保温结构2中，组建图2所示的储热系统，然后将热电偶3的测温端套上陶瓷保护管插入到相变材料中，热电偶3另一端接到控温仪4上，盖上保温盖。设置控温仪上限温度，接通加热元件电源，对相变储热芯进行加热。当温度达到相变材料相变温度以上某温度时停止加热，根据停止加热时的材料温度可计算出组合式高温相变储热系统及其装置的总储热量。组合式高温相变储热系统及其装置的总储热量包括相变材料的显热和潜热，计算公式为
。M为单个高温相变储热芯里混合相变材料的总质量，c p 为混合相变材料比热容，T s 为相变材料到达的温度，T m 为室温，ΔH为混合相变材料的相变热，n 为高温相变储热芯个数。由上述公式可以算出当温度达到T s =550℃时储热装置的储热量为E=103.5MJ，能达到高效储热的目的。
Claims (7)
1.一种组合式高温相变储热系统，其特征在于由若干个高温相变储热芯装置按一定方式组合而成；并设有一个温控单元，该温控单元包括热电偶和控温仪，热电偶测温端套有保护管，置于某个高温相变储热芯装置的相变材料里面，另一端与控温仪相连。
2.根据权利要求1所述的组合式高温相变储热系统，其特征在于所述高温相变储热芯包括加热元件、耐蚀容器及换热装置；其中，耐蚀容器外壁是立方体形，由耐高温不锈钢焊接而成，中心是圆形空心钢管，空心钢管与耐蚀容器内壁之间焊接有不锈钢翅片，高温相变材料置于耐蚀容器中；加热元件在耐蚀容器的空心钢管中间，由里向外传热；换热装置在耐蚀容器外部，与耐蚀容器焊接为具有一定厚度空气层的密封整体，外观上呈立方体状，装置上口对角处设置有换热气体进、出口。
3.根据权利要求1或2所述的组合式高温相变储热系统，其特征在整个系统的外层设有保温结构。
4.根据权利要求1或2所述的组合式高温相变储热系统，其特征在于所述的高温相变材料为无机盐相变材料。
5.根据权利要求1或2所述的组合式高温相变储热系统，其特征在于所述的加热元件为硅碳棒，加热温度达1000℃。
6.根据权利要求1或2所述的组合式高温相变储热系统，其特征在于所述的带翅片的耐蚀容器的材料采用耐高温腐蚀不锈钢316L。
7.根据权利要求3所述的组合式高温相变储热系统，其特征在于所述的保温结构由耐高温保温材料组成。
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