CN107449304A - 储能单元、具有储能单元的无机相变储能装置及制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能单元、具有储能单元的无机相变储能装置及制备工艺，储能单元包括密闭容器，密闭容器内有传热支撑结构，其包括多层多孔石墨板和蛇形传热管网，多孔石墨板孔隙中灌装无机相变储能材料；无机相变储能装置包括外壳、多个储能单元、保温层和总管，储能单元外有外壳，多个储能单元伸出的管路按并联方式与总管连接；制备工艺包括多孔石墨板、传热支撑结构和储能单元的依次制备，还有无机相变储能材料的抽真空灌装和无机相变储能装置的组装。通过上述方式，本发明采用膨胀石墨作为传热支撑结构，采用抽真空加压灌装工艺克服多孔孔隙毛细力，保证密闭性，改善无机相变储能材料导热性能差的缺点，可实现小温差大功率储放热。

Description

储能单元、具有储能单元的无机相变储能装置及制备工艺

技术领域

本发明涉及无机相变储能利用技术领域，特别是涉及一种储能单元、具有储能单元的无机相变储能装置及制备工艺。

背景技术

相变储能材料（PCM）是以材料发生相变时吸收或释放大量热量，实现能量的储存和利用，是缓解能力供求双方在时间、强度和地点上部匹配的有效方式，在太阳能取暖、热负荷的移峰填谷、新型节能建材、废热回收和空调冷热负荷调节的应用越来越广泛。

尤其以潜热储能技术，由于其所用装置简单、体积小、设计灵活、使用方便且易于管理等特点而大受欢迎。在众多的潜热储能材料中，应用较多的主要有石蜡、脂肪酸、无机水合盐类等材料。其中，无机水合盐是一类非常重要的中低温相变储能材料，它能提供熔点从几摄氏度到一百多摄氏度的多种相变材料，目前应用较多的水合盐主要有碱及碱土金属的卤化物、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、碳酸盐及醋酸盐等。

无机相变材料潜热密度非常高，相变时体积变化小，而且无毒、无挥发性、不易燃等优点。但是这类材料最大的缺点是固液相变时容易产生过冷和相分层现象。另外，无机水合盐类储能材料的导热系数一般都比较低，相变蓄能装置在储热和放热时，其换热效率也比较低，这也限制了材料的应用。提高换热效率可通过设计优良的传热结构和改善材料的导热系数来实现。由于膨胀石墨具有价格便宜、高导热性以及无机相变储能材料对石墨不会产生腐蚀的优点，因此，采用膨胀石墨改善材料的导热系数和作为无机相变储能材料的强化传热结构是有效的一条技术路线。

传统的膨胀石墨多孔板的制造工艺是将膨胀石墨颗粒高温膨化200-400倍体积比的蠕虫状颗粒，然后压制成形形成多孔板，这种工艺制备的膨胀石墨多孔板石墨体积比要达到10%-20%才能成形有一定强度的多孔板，且孔隙较小。

现公布的一些专利，如CN10185591A、CN102977858A、CN105885802A、CN104357022A、CN104087254A采用将膨胀石墨颗粒搅拌吸附至无机水合盐溶液中制成膨胀石墨/无机水合盐复合材料来改善材料的导热系数的方法。

但由于通过强力搅拌才能实现的无机水合盐和膨胀石墨的复合，膨胀石墨无法形成一个稳定的多空结构，长时间运行会形成无机水合盐和膨胀石墨的部分分离而形成分层，影响相变蓄能装置的换热性能。

另外，搅拌浸渍的工艺必须在惰性气体的保护下才有效，否则会形成空气对无机相变储能材料的污染，如空气中水分的吸收、CO₂、SO₂等成分对无机相变储能材料的反应，影响无机相变储能材料的潜热量和寿命。

另外，无机水合盐对大多数金属材料均有腐蚀，且无机水合盐必须和空气彻底隔绝，当无机水合盐长时间暴露在空气中时，会吸收空气中的水分以及和空气中的一些成分（如CO₂、SO₂等）形成化学反应而影响性能和循环寿命。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种储能单元、具有储能单元的无机相变储能装置及制备工艺，采用膨胀石墨作为传热支撑结构，膨胀石墨用量小，且孔隙较大，采用抽真空加压灌装工艺克服了多孔石墨结构中孔隙的毛细力，保证密闭性彻底隔绝空气，且无机相变储能材料对密闭材料没有腐蚀。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种储能单元，包括一密闭容器，密闭容器内安装有传热支撑结构，传热支撑结构包括多层多孔石墨板以及形成在多孔石墨板内的蛇形传热管网，传热支撑结构的多孔石墨板孔隙中还灌装有无机相变储能材料。

在本发明一个较佳实施例中，所述传热支撑结构的外壁与密闭容器的内壁紧密接触，蛇形传热管网延伸出密闭容器部分的伸出管道与密闭容器的内壁面进行密封。

在本发明一个较佳实施例中，所述蛇形传热管网内部流通有传热介质，蛇形传热管网的进出管伸出密闭容器的外壁形成传热介质的进口和出口。

在本发明一个较佳实施例中，所述蛇形传热管网包括多个单层蛇形传热管，传热支撑结构中相邻两层的多孔石墨板之间夹设一层单层蛇形传热管。

在本发明一个较佳实施例中，所述单层蛇形传热管通过串联或并联方式形成双层蛇形传热管，再由双层蛇形传热管通过串联或并联方式形成蛇形传热管网。

在本发明一个较佳实施例中，无机相变储能材料通过无机相变储能材料抽真空加压灌装装置实现抽真空加压灌装，

其中无机相变储能材料抽真空加压灌装装置包括：无机相变储能材料储罐、真空泵、高压气罐、第一阀门、第二阀门和第三阀门，真空泵与储能单元连接用于对储能单元进行抽真空，第二阀门和第三阀门安装在真空泵与储能单元之间的管路上，

无机相变储能材料储罐内部储存有无机相变储能材料液体，高压气罐与无机相变储能材料储罐连接用于对储罐内部储存的无机相变储能材料液体进行加压，无机相变储能材料储罐与储能单元连接用于实现无机相变储能材料的灌装，第一阀门安装在无机相变储能材料储罐与储能单元之间的管路上。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种无机相变储能装置，包括外壳、储能单元、保温层和总管，储能单元的外部设有外壳，外壳与储能单元之间设置保温层，总管与储能单元伸出的管路进行连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述总管包括进水总管和出水总管，储能单元的伸出管路并联到进水总管和出水总管上，形成整个无机相变储能装置总的进水口和出水口。

在本发明一个较佳实施例中，所述保温层为聚氨酯发泡保温层或岩棉保温层。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种无机相变储能装置的制备工艺，包括以下制备步骤：

a、多孔石墨板的制备：在模具空腔中将膨胀石墨加热膨胀成形制成多孔石墨板，具体步骤为：

a1、采用耐高温、抗老化金属板制成可拆卸的内空腔为矩形的模具；

a2、然后在模具空腔中加入占内空腔体积比为2%~5%的膨胀石墨；

a3、最后将加装膨胀石墨的模具放入箱式或网带式高温炉中，炉温快速升温至400~950℃，保温1~10分钟，再降温至环境温度取出，拆开模具则得到膨胀成形的多孔石墨板；

b、传热支撑结构的制备：将加工成形的蛇形传热管网和多层多孔石墨板合成传热支撑结构，具体步骤为：

b1、选择与无机相变储能材料不发生化学反应的金属管制成单层蛇形传热管，单层蛇形传热管之间通过串联或并联制成双层蛇形传热管；

b2、遵循在两层多孔石墨板中间夹设一层单层蛇形传热管的原则，将多孔石墨板和蛇形传热管压制成传热支撑结构，其中蛇形传热管内部走传热介质；

c、储能单元的制备：将传热支撑结构装入密闭容器中制成储能单元，传热支撑结构外壁和密闭容器内壁紧密接触，伸出管道与容器壁面通过焊接或其他密封装置密封，密闭容器的内壁选择与所灌装的无机相变材料不发生化学反应的材料；

d、无机相变储能材料的抽真空加压灌装，包括如下步骤：

d1、关闭第一阀门、打开第二阀门和第三阀门，通过储能单元中密闭容器壁面上的抽真空加压灌装口用真空泵抽真空，抽真空压力达到10^-1Pa，关闭真空泵，此时已将多孔石墨板传热支撑结构孔隙中的空气基本抽净；

d2、关闭第二阀门、打开第一阀门和第三阀门，将无机相变储能材料储罐内部合成好的无机相变储能材料液体加压至1-5kgf/cm²，用于克服孔隙毛细力，然后缓慢灌注进传热支撑结构的多孔石墨板孔隙中，加注满以后关闭第一阀门和第三阀门；

d3、在密闭容器壁面上的抽真空加压灌装口中取出抽真空加压灌装管，通过弹性密封塞将口密封，完成对加装膨胀石墨传热支撑结构密闭容器内的无机相变储能材料的灌装；

e、无机相变储能装置的组装：

e1、将一个或多个储能单元进行组装，每个储能单元的伸出管路并联，分别形成一个总的进水口和出水口；

e2、在组装的多个加装膨胀石墨作为传热支撑结构的密闭容器外加装外壳，在外壳和密闭容器的外壁之间加装保温层，完成了膨胀石墨作为传热支撑结构无机相变储能装置的制作。

本发明的有益效果是：本发明储能单元、具有储能单元的无机相变储能装置及制备工艺采用膨胀石墨作为传热支撑结构，无机相变储能装置保证密封，彻底隔绝空气，且无机相变储能材料对密闭材料没有腐蚀，同时节约了膨胀石墨用量，且孔隙较大，克服了多孔石墨结构中孔隙的毛细力，有利于无机相变储能材料的灌注，同时改善了无机相变储能材料导热性能差的缺点，可实现小温差、大功率储放热。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明中无机相变储能装置一较佳实施例的外形图；

图2是图1的A-A向剖视图，即无机相变储能装置的具体结构示意图；

图3是本发明中储能单元一较佳实施例的外形图；

图4是图3的B-B向剖视图，即储能单元的具体结构示意图；

图5是本发明储能单元的传热支撑结构中单层蛇形传热管的结构示意图；

图6是本发明中单层蛇形传热管连接形成的双层蛇形传热管的结构示意图；

图7是本发明中无机相变储能材料抽真空加压灌装装置的结构示意图；

附图中各部件的标记如下：1、储能单元，2、外壳，3、保温层，4、总管，5、传热支撑结构，6、密闭容器，7、无机相变储能材料，8、多孔石墨板，9、蛇形传热管网，10、单层蛇形传热管，11、无机相变储能材料储罐，12、真空泵，13、高压气罐，14、第一阀门，15、第二阀门，16、第三阀门，17、进水总管，18、出水总管。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图7，本发明实施例包括：

一种无机相变储能装置，包括外壳2、储能单元1、保温层3和总管4，储能单元1的外部设有外壳2，外壳2与储能单元1之间设置保温层3，总管4与储能单元1伸出的管路进行连接。

其中储能单元1包括一密闭容器6，密闭容器6内安装有传热支撑结构5，传热支撑结构5包括多层多孔石墨板8以及形成在多孔石墨板8内的蛇形传热管网9，传热支撑结构5的多孔石墨板8孔隙中还灌装有无机相变储能材料7。

传热支撑结构5的外壁与密闭容器6的内壁紧密接触，蛇形传热管网9延伸出密闭容器6部分的伸出管道与密闭容器6的内壁面通过焊接方式或其它密封装置进行密封。

密闭容器6的内壁必须选择与所灌装的无机相变材料不发生化学反应的材料，可选择塑料、金属或经过表面处理的金属。

蛇形传热管网9包括多个单层蛇形传热管10，蛇形传热管网9选择与无机相变材料不发生化学反应的金属管制成单层蛇形传热管10，然后将单层蛇形传热管10通过串联或并联制成双层蛇形传热管，最后再通过双层蛇形传热管之间的串联或并联形成蛇形传热管网9。

传热支撑结构5的具体制作工艺是：遵循相邻两层的多孔石墨板8之间夹设一层单层蛇形传热管10的原则，由多孔石墨板8和蛇形传热管网9制成。

其中蛇形传热管网9内部流通有传热介质，蛇形传热管网9的进出管伸出密闭容器6的外壁形成传热介质的进口和出口。

上述总管包括进水总管17和出水总管18，储能单元1的伸出管路并联到进水总管17和出水总管18上，形成整个无机相变储能装置总的进水口和出水口。

整个无机相变储能装置采用了内外分腔的技术，将一个或多个储能单元1进行组装，并在外部加装外壳2，在外壳2和储能单元1的外腔之间加装保温层3，此保温层3可以是聚氨酯发泡或岩棉，完成了膨胀石墨作为传热支撑结构的无机相变储能装置的制作。

一种无机相变储能装置的制备工艺，包括以下制备步骤：

a、多孔石墨板8的制备：在模具空腔中将膨胀石墨加热膨胀成形制成多孔石墨板，具体步骤为：

a1、采用耐高温、抗老化金属板（如316L、310S不锈钢）制成可拆卸的内空腔为矩形的模具；

a2、然后在模具空腔中加入占内空腔体积比为2%~5%的膨胀石墨；

a3、最后将加装膨胀石墨的模具放入箱式或网带式高温炉中，炉温快速升温至400~950℃，保温1~10分钟，再降温至环境温度取出，拆开模具则得到膨胀成形的多孔石墨板。

得到的膨胀成形的多孔石墨板8中石墨体积比只要2%-5%就能形成有同样强度的多孔板，大大节约了膨胀石墨用量，且孔隙较大，有利于无机相变储能材料的灌装。

b、传热支撑结构5的制备：将加工成形的蛇形传热管网9和多层多孔石墨板8合成传热支撑结构5，具体步骤为：

b1、选择与无机相变储能材料不发生化学反应的金属管制成单层蛇形传热管10，单层蛇形传热管10之间通过串联或并联制成双层蛇形传热管；

b2、遵循在两层多孔石墨板8中间夹设一层单层蛇形传热管10的原则，将多孔石墨板8和蛇形传热管压制成传热支撑结构5，其中蛇形传热管内部走传热介质。

c、储能单元1的制备：将传热支撑结构5装入密闭容器6中制成储能单元1，传热支撑结构5外壁和密闭容器6内壁紧密接触，伸出管道与容器壁面通过焊接或其他密封装置密封，密闭容器6的内壁选择与所灌装的无机相变材料不发生化学反应的材料。

d、无机相变储能材料7的灌装：采用无机相变储能材料7抽真空加压灌装装置对储能单元1进行抽真空，并对密闭容器6中多孔石墨板传热支撑结构实现加压灌装。

其中无机相变储能材料抽真空加压灌装装置包括：无机相变储能材料储罐11、真空泵12、高压气罐13（或采用气泵）、第一阀门14、第二阀门15和第三阀门16，

真空泵12与储能单元1连接用于对储能单元1进行抽真空，第二阀门15和第三阀门16安装在真空泵12与储能单元1之间的管路上，

无机相变储能材料储罐11内部储存有无机相变储能材料液体，高压气罐13与无机相变储能材料储罐11连接用于对储罐内部储存的无机相变储能材料液体进行加压，无机相变储能材料储罐11与储能单元1连接用于实现无机相变储能材料7的灌装，第一阀门14安装在无机相变储能材料储罐11与储能单元1之间的管路上。

上述无机相变储能材料抽真空加压灌装装置的具体灌装步骤为：

d1、关闭第一阀门14、打开第二阀门15和第三阀门16，通过储能单元1中密闭容器6壁面上的抽真空加压灌装口用真空泵抽真空，使得储能单元1内部形成负压，便于无机相变储能材料对多孔板石墨板8的灌装，同时也避免了空气对无机相变储能材料7的二次污染；其中抽真空压力达到10-1Pa时，关闭真空泵，此时已将多孔石墨板传热支撑结构孔隙中的空气基本抽净；

d2、接着关闭第二阀门15、打开第一阀门14和第三阀门16，将无机相变储能材料储罐11内部合成好的无机相变储能材料液体加压至1-5kgf/cm2，用于克服孔隙毛细力，然后缓慢灌注进多孔石墨板传热支撑结构5的孔隙中，加注满以后关闭第一阀门14和第三阀门16；

d3、在密闭容器6壁面上的抽真空加压灌装口中取出抽真空加压灌装管，通过弹性密封塞将口密封，完成对加装膨胀石墨传热支撑结构密闭容器内的无机相变储能材料的灌装。

e、无机相变储能装置的组装：

e1、将一个或多个储能单元1进行组装，每个储能单元1的伸出管路并联，分别形成一个总的进水口和出水口；

e2、在组装的多个加装膨胀石墨作为传热支撑结构5的密闭容器外加装外壳2，在外壳2和密闭容器6的外壁之间加装保温层3，完成了膨胀石墨作为传热支撑结构无机相变储能装置的制作。

本发明的储能单元、具有储能单元的无机相变储能装置及制备工艺的有益效果是：

采用在一定的固定空腔中将膨胀石墨颗粒高温膨化制成多孔石墨板，石墨体积比只要2%-5%就能成形有同样强度的多孔板，大大节约了膨胀石墨用量，且孔隙较大，有利于无机相变储能材料的灌装；

通过抽真空加压灌注，克服了孔隙毛细力，实现了无机相变储能材料对石墨多孔板的灌装，具有工艺简单、容易实现大规模工业化生产，同时抽真空避免了空气对无机相变储能材料的二次污染；

采用膨胀石墨作为传热支撑结构的无机相变储能装置大大改善了无机相变储能材料导热性能差的缺点，可实现小温差、大功率储放热。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种储能单元，其特征在于，包括一密闭容器，密闭容器内安装有传热支撑结构，传热支撑结构包括多层多孔石墨板以及形成在多孔石墨板内的蛇形传热管网，传热支撑结构的多孔石墨板孔隙中还灌装有无机相变储能材料。

2.根据权利要求1所述的储能单元，其特征在于，所述传热支撑结构的外壁与密闭容器的内壁紧密接触，蛇形传热管网延伸出密闭容器部分的伸出管道与密闭容器的内壁面进行密封。

3.根据权利要求2所述的储能单元，其特征在于，所述蛇形传热管网内部流通有传热介质，蛇形传热管网的进出管伸出密闭容器的外壁形成传热介质的进口和出口。

4.根据权利要求1所述的储能单元，其特征在于，所述蛇形传热管网包括多个单层蛇形传热管，传热支撑结构中相邻两层的多孔石墨板之间夹设一层单层蛇形传热管。

5.根据权利要求4所述的储能单元，其特征在于，所述单层蛇形传热管通过串联或并联方式形成双层蛇形传热管，再由双层蛇形传热管通过串联或并联方式形成蛇形传热管网。

6.根据权利要求4所述的储能单元，其特征在于，无机相变储能材料通过无机相变储能材料抽真空加压灌装装置实现抽真空加压灌装，

其中无机相变储能材料抽真空加压灌装装置包括：无机相变储能材料储罐、真空泵、高压气罐、第一阀门、第二阀门和第三阀门，真空泵与储能单元连接用于对储能单元进行抽真空，第二阀门和第三阀门安装在真空泵与储能单元之间的管路上，

无机相变储能材料储罐内部储存有无机相变储能材料液体，高压气罐与无机相变储能材料储罐连接用于对储罐内部储存的无机相变储能材料液体进行加压，无机相变储能材料储罐与储能单元连接用于实现无机相变储能材料的灌装，第一阀门安装在无机相变储能材料储罐与储能单元之间的管路上。

7.一种无机相变储能装置，其特征在于，包括外壳、储能单元、保温层和总管，其中储能单元为权利要求1~5任一项所述的储能单元，储能单元的外部设有外壳，外壳与储能单元之间设置保温层，总管与储能单元伸出的管路进行连接。

8.根据权利要求7所述的无机相变储能装置，其特征在于，所述总管包括进水总管和出水总管，储能单元的伸出管路并联到进水总管和出水总管上，形成整个无机相变储能装置总的进水口和出水口。

9.根据权利要求7所述的无机相变储能装置，其特征在于，所述保温层为聚氨酯发泡保温层或岩棉保温层。

10.一种根据权利要求7所述的无机相变储能装置的制备工艺，其特征在于，包括以下制备步骤：

a、多孔石墨板的制备：在模具空腔中将膨胀石墨加热膨胀成形制成多孔石墨板，具体步骤为：

a1、采用耐高温、抗老化金属板制成可拆卸的内空腔为矩形的模具；

a2、然后在模具空腔中加入占内空腔体积比为2%~5%的膨胀石墨；

a3、最后将加装膨胀石墨的模具放入箱式或网带式高温炉中，炉温快速升温至400~950℃，保温1~10分钟，再降温至环境温度取出，拆开模具则得到膨胀成形的多孔石墨板；

b、传热支撑结构的制备：将加工成形的蛇形传热管网和多层多孔石墨板合成传热支撑结构，具体步骤为：

b1、选择与无机相变储能材料不发生化学反应的金属管制成单层蛇形传热管，单层蛇形传热管之间通过串联或并联制成双层蛇形传热管；

b2、遵循在两层多孔石墨板中间夹设一层单层蛇形传热管的原则，将多孔石墨板和蛇形传热管压制成传热支撑结构，其中蛇形传热管内部走传热介质；

c、储能单元的制备：将传热支撑结构装入密闭容器中制成储能单元，传热支撑结构外壁和密闭容器内壁紧密接触，伸出管道与容器壁面通过焊接或其他密封装置密封，密闭容器的内壁选择与所灌装的无机相变材料不发生化学反应的材料；

d、无机相变储能材料的抽真空加压灌装，包括如下步骤：

d1、关闭第一阀门、打开第二阀门和第三阀门，通过储能单元中密闭容器壁面上的抽真空加压灌装口用真空泵抽真空，抽真空压力达到10^-1Pa，关闭真空泵，此时已将多孔石墨板传热支撑结构孔隙中的空气基本抽净；

d2、关闭第二阀门、打开第一阀门和第三阀门，将无机相变储能材料储罐内部合成好的无机相变储能材料液体加压至1-5kgf/cm²，用于克服孔隙毛细力，然后缓慢灌注进传热支撑结构的多孔石墨板孔隙中，加注满以后关闭第一阀门和第三阀门；

d3、在密闭容器壁面上的抽真空加压灌装口中取出抽真空加压灌装管，通过弹性密封塞将口密封，完成对加装膨胀石墨传热支撑结构密闭容器内的无机相变储能材料的灌装；

e、无机相变储能装置的组装：

e1、将一个或多个储能单元进行组装，每个储能单元的伸出管路并联，分别形成一个总的进水口和出水口；

e2、在组装的多个加装膨胀石墨作为传热支撑结构的密闭容器外加装外壳，在外壳和密闭容器的外壁之间加装保温层，完成了膨胀石墨作为传热支撑结构无机相变储能装置的制作。