CN107036475B - 一种基于空气换热的固-液相变储热装置 - Google Patents

一种基于空气换热的固-液相变储热装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于空气换热的固‑液相变储热装置它包括储热箱体、相变储热单元，储热箱体上开设有换热介质进口和换热介质出口，均与储热箱体的内部空间相连通；相变储热单元包括储热材料盛装容器和相变储热材料，相变储热材料封装于储热材料盛装容器内；所述相变储热单元置于储热箱体中。它具有结构简单、安全可靠、充放热稳定且效率高的特点。本发明具有结构简单、安全可靠、充放热稳定且效率高的特点。

Description

一种基于空气换热的固-液相变储热装置
技术领域
本发明涉及一种基于空气换热的固-液相变储热装置。
背景技术
太阳能光热技术，即收集太阳辐射在地表面的热量，通过换热装置将收集的热量用来发电、供暖等，以达到取代传统化石能源的目的。太阳能光热发电是太阳能中重要的项目之一，常规太阳能热发电系统包括集热系统、储热系统、换热系统、发电机组，太阳能储热系统克服了太阳能由于昼夜更替，气候变化，辐射波动不稳定所造成的能量不连续性，保证电力平稳输出。储热系统由储热材料及容器组成：传统储热材料以水、导热油为主，但水、导热油储存热量较小，随着发电功率需求日益增大，继续采用水、导热油作为储热材料远不能满足需求，通过采用高存储密度的相变储热材料，如熔融盐、有机醇、水和盐、合金等，在几乎没有温度变化的情况下实现热能的储存，输出的温度和能量稳定，其中固-液相变储热密度大、过程稳定、易于控制；为保证储热系统的稳定高效，储热容器结构设计需要满足一定换热效率，使集热系统吸收的热量通过换热系统最大程度储存在容器内部的储热材料中。
在现有空气换热技术中，仍保留管道设置，未能充分体现空气换热技术的简洁优势；传统储热领域以材料的显热储热为主，但显热储热很难满足高效，高密度的储热要求，同时，对于储热稳定性来看，显热储热不如相变储热的稳定安全；对于不同的相变储热材料，封装容器材料的选择同样保证着储热装置运行的安全可行性，但目前所在的专利中，未针对不同材料选择合适的容器材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种基于空气换热的固-液相变储热装置，它具有结构简单、安全可靠、充放热稳定且效率高的特点。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种基于空气换热的固-液相变储热装置，它包括储热箱体、相变储热单元，储热箱体上开设有换热介质进口和换热介质出口，均与储热箱体的内部空间相连通；相变储热单元包括储热材料盛装容器和相变储热材料，相变储热材料封装于储热材料盛装容器内；所述相变储热单元置于储热箱体中。
按上述方案，所述储热箱体中设有多个相变储热单元，各储热单元相互独立，相变储热单元的总体积占储热箱体体积的70～80％之间。优选地，所述储热单元数量为8～12个。
按上述方案，所述储热材料盛装容器的左右侧面与储热箱体的侧面平行设置，且左右侧面之一与储热箱体固定连接为一体，上下侧面中至少一个与竖直方向形成夹角，以增大换热介质空气与相变储热单元接触面积，有效的控制热空气与相变储热单元的接触时间，充分提高换热介质与储热介质间的热量传递效率。优选地，各相变储热单元有序排列于储热箱体中，相邻的储热材料盛装容器交叉对向设置。
按上述方案，所述储热材料盛装容器的形状为斜棱柱，纵向剖面为横放的直角梯形，该直角梯形的斜边锐角(即图5中的α)为88°～90°且不等于90°。
按上述方案，所述储热材料盛装容器的左右侧面中较大的一面与储热箱体的内壁固定连接，且连接面的水平方向的宽度与储热箱体的水平方向的宽度相同。
按上述方案，所述换热介质进口、换热介质出口与储热箱体接触区域均由三角板结构连接，能让储热单元充分吸收换热介质所携带的热量。
按上述方案，所述换热介质进口、换热介质出口分别位于储热箱体左右侧面的底部和上部。
按上述方案，所述换热介质为空气，可在储热箱体内部剩余空间流动；相变储热材料为固-液相变储热材料，作为储热介质。作为换热介质的空气沿储热材料盛装容器的斜面及棱柱与储热箱体之间的空隙向上推进，相变储热单元吸收并储存换热介质中携带的热量。作为储热介质的相变材料通常可以根据实际使用温度及储热量选择不同类型的材料，相变储热材料可以分为水合盐，熔融盐，有机物，合金等五种：常用的水合盐为NaSO4·10H2O，Ba(OH)2·8H2O，水合盐相变潜热高，使用温度范围小，但因其存在过冷及相分离等问题，导致水合盐热稳定较差，因此水合盐常用于低温储热中；熔融盐储热密度高，常用的有Solar Salt(40％KNO3·60％NaNO3)、Hitec(7％NaNO3·40％NaNO2·53％KNO3)、HitecXL(48％Ca(NO3)2·45％KNO3·7％NaNO3)，但熔融盐对封装材料具备一定的腐蚀性，目前采用含Ni的316L不锈钢作为熔融盐相变储热材料的封装容器；有机物潜热值高，使用温度低，同时与封装容器的腐蚀相容性好，常用的有机相变储热材料包括有机石蜡、有机醇、有机脂肪酸等，考虑到有机储热介质热导率低的问题，通常采用与膨胀石墨复合的方法制备有机-石墨复合相变储热材料提高材料的热导率，但高温稳定性差，不利于高温储热；金属及其合金相变温度较高，储热密度适中，可用于中高温储热领域内，金属及其合金高温稳定性好，且热导率远高于其他储热材料，但成本较其他储热材料较高，同时考虑到金属高温活性大的问题，使用金属作为相变储热材料需保证装置完全密封，防止相变过程中金属与空气接触，目前较好的金属相变储热材料有Mg-Zn，Mg-Cu-Zn，Mg-Al-Zn合金，其中含Al合金与封装容器的高温腐蚀性较差，需要对封装材料进行表面处理，例如在表面添加陶瓷层。
按上述方案，所述储热箱体内壁上还设有保温层，由保温材料填充。
按上述方案，所述储热箱体由钢板一次性折弯制作而成，储热箱体及相变储热单元各空气转弯处设计倒角，保证空气流通。
本发明所述基于空气换热的固-液相变储热装置主要应用于太阳能热发电储热系统。
本发明还提供一种基于空气换热的固-液相变储热系统，包含若干上述基于空气换热的固-液相变储热装置并联而成。其中，储热箱体及其相变储热单元的数量可根据储热量要求调节。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过改变相变储热单元斜面与箱体壁的角度，改变相变储热单元形状及其在储热箱体安置方式，增大相相变储热材料与空气换热介质的接触面积，避免热空气在角落聚集，利用气体的流动性，大幅度提高空气与储热单元的换热效率，采用内嵌的方式设置储热单元，尽可能大的提高单个箱体的储热量；
2、本发明中储热箱体壁可为双层结构，内壁由石棉等保温材料填充，大幅度提高换热介质与储热介质之间换热效率及整个储热系统的热能利用率；本发明改进传统以显热储热为储热介质，选择熔融盐，有机物，金属等高储热密度的固—液相变储热材料为储热介质，大幅度提高储热容量，在光照稳定时候储存多余的热量，在晚上缺乏光照的时候释放存储的热量，克服太阳能在时间与空间的不匹配性；
3、本发明储热系统模块化，可以根据实际功率要求选择储热箱体及其相变储热单元的数量的数量，具有结构简单、安装使用方便，安全可靠、充放热稳定且效率高的特点；本发明对不同相变储热材料采用相对应腐蚀相容性较好的封装材料，维持装置的安全性，更具实际应用性。
附图说明
图1是本发明所述基于空气换热的固-液相变储热装置的主视图；
图2是本发明所述基于空气换热的固-液相变储热装置的左视图；
图3是本发明所述基于空气换热的固-液相变储热装置的俯视图；
图4为本发明所述基于空气换热的固-液相变储热装置的纵向剖视图；
图5为相变储热单元的纵向剖视图。
图6为本发明所述基于空气换热的固-液相变储热装置的轴测图。
其中，1-传热介质进口(进气口)，2-传热介质出口(出气口)，3-固液相变储热材料，4-保温层，5-储热箱体，6-相变储热单元，7-储热材料盛装容器，α-储热材料盛装容器的纵向截面的斜边锐角。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如附图1-3及图6所示，一种基于空气换热的固-液相变储热装置，它包括储热箱体5、相变储热单元6，储热箱体5上开设有换热介质进口1和换热介质出口2，均与储热箱体5的内部空间相连通；相变储热单元6包括储热材料盛装容器7和相变储热材料3，相变储热材料3封装于储热材料盛装容器7内；所述相变储热单元6置于储热箱体5中。
如图4所示，所述储热箱体5中设有8个相变储热单元6，各储热单元6相互独立，8个相变储热单元6的总体积占储热箱体5体积的70～80％之间；8个相变储热单元有序排列于储热箱体5中，相邻的相变储热单元交叉对向设置；所述储热材料盛装容器7的纵向截面为横放的直角梯形，该直角梯形的斜边锐角(即图5中的α)为88°～90°且不等于90°。并且，储热材料盛装容器7的左右侧面与储热箱体5的侧面平行设置，储热材料盛装容器7的左右侧面中较大的一面与储热箱体5相固定连接。
如图6所示，所述换热介质出口2、换热介质进口1分别位于储热箱体5左右侧面的底部和上部，并与储热箱体5接触区域均由三角板结构连接。具体地，换热介质为空气，换热介质进口1(即进气口)、换热介质出口2(即出气口)的管道直径Φ＝50mm，管道厚度为2mm，管道长度为50mm；三角板夹层高度为50mm，三角板上下面与进气口、出气口的管道外壁持平，长度为150mm，壁厚与管道一致为2mm。
如图4所示，所述储热箱体3内壁上还设有保温层4，采用石棉材料填充，厚度为2mm；如图5所示，储热箱体5及相变储热单元6各空气转弯处设计倒角。
具体地，所述的储热箱体5外观尺寸为520mm×320mm×1060mm(长*宽*高)，壁厚为6mm，主体材料采用抗腐蚀较强的316L不锈钢；储热材料盛装容器7同样采用316L不锈钢，厚度为2mm，储热材料盛装容器7与储热箱体5中间空气流通间隔为20mm，相变储热单元6的总体积占据储热箱体5总体积的73.73％。更为具体地，相变储热单元中盛装储热材料的容器为斜棱柱，纵向剖面为直角梯形；其中，直角梯形的上下底边的长度分别为88.5mm、100mm，高为500mm，梯形锐角(即图5中的α)为88.5°；斜棱柱较大的侧面与储热箱体的内壁固定连接为一体，且连接面的水平方向的宽度与储热箱体的水平方向的宽度相同，均为300mm。
上述基于空气换热的固-液相变储热装置的工作流程：
1)该固-液相变储热装置开始储热时，由进气口输送从集热系统吸收热量的空气，热空气向上推进，空气与相变储热单元中储热材料盛装容器外壁接触，空气中的热量通过热传导的方式进入相变储热单元内部的相变储热材料中，空气换热完成后由出气口排出；2)持续从进气口输入热空气时，相变储热材料温度随之升高，当相变储热材料温度到达固-液相变转变点时，换热介质(即热空气)中的热量以相变潜热的形式储存在相变储热材料中；相变完成后，继续升温至相变储热单元内部所有相变储热材料与进气口热空气温度保持一致时，系统储热达到饱和，储热过程结束。当缺乏光照时，为保持电力继续平稳输出，储热箱体开始放热，冷空气从进气口进入，吸收相变储热单元内部储存的热量，相变储热材料降温，并逐渐从液态转变为固态，释放大量的热量，从出气口排除高温热空气进入蒸汽发电机组，当进出口气体温度一致时，放热完成。通过在储热单元上设置倾斜角，在增大换热面积的同时，避免热空气在角落聚集，利用气体的流动性，大幅度提高空气与储热单元的换热效率。
相变储热材料采用无机盐中温相变储热材料Solar Salt(40wt％KNO3-60wt％NaKO3，质量百分比之和满足百分比)，其相变温度与相变潜热分别为220℃、161kJ/Kg，使用温度上限为600℃，相变储能密度为295.8MJ/m3，相变储热材料完全密封在储热材料盛装容器内部，相变过程单个储热箱体储热量为32.71MJ；储热材料固-液转变为可逆过程，在多次热循环后，相变温度及潜热变化幅度均小于1％；储热装置内部，空气与相变储热单元换热充分，换热效率在85％以上，可以用于太阳能储热系统。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：固-液相变储热材料选择高温储热合金：Mg-53％Zn共晶合金；同时，储热材料盛装容器及储热箱体选择304不锈钢。
差热扫描量热仪(DSC)测量结果显示：Mg-53％Zn共晶合金相变温度、相变潜热分别为343℃、165kJ/Kg，储热密度为458.7MJ/m3；用纯度为99.99％Mg、99.99％Zn金属制备Mg-53％Zn合金，按12wt％Mg烧损计算合金配比，将熔炼炉升温至680℃至镁完全熔化后，然后添加Zn，降温至500℃，保温10min，浇注至储热容器中冷却，最终完全密封至储热箱体中投入使用，投入实验前，应对每一个相变储热单元做密封检查。Mg-53％Zn合金性质稳定，在密封不与空气接触的条件下不发生反应，考虑到镁蒸气压的问题，Mg-53％Zn共晶合金使用温度应小于800℃；Mg-53％Zn共晶合金适用于高温储热领域，单个储热箱体相变过程储热量达到50.73MJ，储热箱体空气与储热单元换热效率在95％以上。
实施例3
与实施例1基本相同，不同之处在于：固-液相变储热材料选择低温相变材料：硬脂酸；储热材料盛装容器选择304不锈钢。
差热扫描量热仪(DSC)测量结果显示：硬脂酸相变温度、相变潜热分别为70℃、220kJ/Kg，储热密度为191.4MJ/m3；硬脂酸适用于低温储热，使用温度上限为200℃，单个储热箱体储热量为21.17MJ，储热箱体空气与储热单元换热效率在80％以上。
实施例4
与实施例1基本相同，不同之处在于：固液相变储热材料选择低熔点合金：Sn-50Bi-2Zn合金；储热箱体及储热材料盛装容器选择碳钢，储热材料盛装容器与储热箱体接触Sn-Bi-Zn合金储热材料的区域壁厚度需改为4mm。
差热扫描量热仪(DSC)测量结果显示：Sn-50Bi-2Zn合金相变温度、相变潜热分别为134℃、51kJ/Kg，储热密度为428.9MJ/m3；Sn-50Bi-2Zn合金适用温度范围为25℃-900℃，单个储热箱体的储热量为47.44MJ，储热箱体空气与储热单元换热效率在90％以上。
实施例5
与实施例1基本相同，不同之处在于：固液相变储热材料选择水合盐：Ba(OH)2·8H2O，储热箱体及储热材料盛装容器采用316L不锈钢。
Ba(OH)2·8H2O，纯度为分析纯(≥98.0％)，相变温度范围为70～80℃，相变潜热为272.4kJ/Kg，储热密度为593.3MJ，单个储热箱体出热量为65.62MJ，储热箱体空气与储热单元换热效率在85％以上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于空气换热的固-液相变储热装置，其特征在于它包括储热箱体、相变储热单元，储热箱体上开设有换热介质进口和换热介质出口，均与储热箱体的内部空间相连通；相变储热单元包括相变储热材料盛装容器和相变储热材料，相变储热材料封装于相变储热材料盛装容器内；所述相变储热单元置于储热箱体中；
所述换热介质进口、换热介质出口分别位于储热箱体左右侧面的底部和上部；所述相变储热材料盛装容器的左右侧面与储热箱体的侧面平行设置，且左右侧面之一与储热箱体固定连接，上下侧面中至少一个与竖直方向形成夹角；所述相变储热材料盛装容器的纵向截面为横放的直角梯形，该直角梯形的斜边锐角为88°～90°且不等于90°。
2.根据权利要求1所述的一种基于空气换热的固-液相变储热装置，其特征在于所述储热箱体中设有多个相变储热单元，各相变储热单元相互独立，相变储热单元的总体积占储热箱体体积的70～80%之间。
3.根据权利要求2所述的一种基于空气换热的固-液相变储热装置，其特征在于所述各相变储热单元有序排列于储热箱体中，相邻的相变储热单元交叉对向设置。
4.根据权利要求1所述的一种基于空气换热的固-液相变储热装置，其特征在于所述换热介质进口、换热介质出口与储热箱体接触区域均由三角板结构连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于空气换热的固-液相变储热装置，其特征在于所述储热箱体内壁上还设有保温层。
6.权利要求1所述的基于空气换热的固-液相变储热装置用于太阳能热发电储热系统的应用。
7.一种基于空气换热的固-液相变储热系统，其特征在于包含若干权利要求1所述的基于空气换热的固-液相变储热装置，通过并联的方式布设。
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