CN109297339A - 一种满液型蒸汽蓄热器及其复合相变储热材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有颗粒状多孔质复合相变材料的满液型蒸汽蓄热器，其包括箱体、换热工质、多个托架箱、多个筛网、多孔质复合相变蓄热层，高温烟气管路和蒸汽出口。其中，箱体内部充满水作为换热工质，多个托架箱分别水平地固定于箱体下部的内壁上，托架箱水平底面和水平上面都是筛网，颗粒状多孔质复合相变蓄热层铺设在托架箱内，所有托架箱浸没在换热工质内。高温烟气管路设置于高压箱体底部，高压箱体上部为蒸汽空腔，安装有蒸汽出汽管。本发明用于一种由满液型蒸汽蓄热器构成的高温烟气余热利用集热/储热系统，在200℃‑400℃范围内为下级换热器连续提供蒸汽热能。本发明具有换热能力强和蒸汽温度稳定的优点。

Description

一种满液型蒸汽蓄热器及其复合相变储热材料的制备方法

技术领域

本发明涉及的是工业高温烟气余热的利用设备，具体涉及的是一种满液型蒸汽蓄热器及其复合相变储热材料的制备方法，属于能源技术领域。

背景技术

节约能源是我国节能减排基本国策的重要组成部分，是我国国民经济与社会可持续发展的一项长期战略任务。我国作为能源消费大国，其突出的问题之一就是能源利用率低、浪费严重。对工业烟气余热的合理利用能够提高能源利用效率、有效节约能源，例如用余热来预热炉料和助燃空气能够提高锅炉的燃烧效率，烟气余热也可用于生产高温的热水以及蒸汽，用于日常生活和生产用热。但是利用烟气余热受到诸多因素制约，由于生产过程具有一定的周期性，导致了余热资源的间歇性，此外在一个使用周期内，烟气温度波动很大，又造成余热资源的波动性，这使得余热的回收利用变得困难。因此，为了更好地利用余热需要采用蓄热技术，以发挥节能降耗的作用。

蓄热方式一般可划分为显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热三大类。潜热蓄热能够在蓄热材料体积相对较小的情况下，通过材料的相变来储存大量的能量，其在蓄热过程中，能够保证相对较小的温度变化，放热过程中传热工质具有相对稳定的温度，因而潜热蓄热具有更广阔的应用前景。在采用潜热蓄热技术时，首先需要考虑的是选择合适的蓄热材料，例如其相变温度应与使用温度相适应；高的导热率；无毒，不易燃、不易爆；原料丰富且价廉，其次还需要着重考虑采用高效、安全、价廉的蓄热器。

现有的各类蓄热器在结构和吸放热原理方面几乎相同:都是在蓄热材料内埋设传热管道，工质与蓄热材料间的换热以导热的方式进行。因而蓄热材料的导热性能对蓄热器的整体换热性能有着重要甚至决定性的影响，鉴于蓄热材料几乎都是低导热系数材料，因此需要采用各种技术强化蓄热材料与工质间的换热。在采取诸如添加高导热系数材料(如石墨等)、增大换热面积等措施后，虽然蓄热器换热性能有所提升，但结合成本、制造以及实际应用等因素综合考虑，其实整体性能并未显著提升。对于此类蓄热器，如何有效改善蓄热材料与工质间的换热依然是研究重点。

在现有的相关锅炉余热利用的文献中发现：中国授权专利公告号CN201973697U，专利名称：利用烟气余热产生低压蒸汽的系统。该发明在锅炉烟道中设置了多级受热面，其中空气预热器位于锅炉烟道的尾部，烟气余热蒸发器设于空气预热器之前。烟气余热回收利用装置包括相连的吸热段和放热段，吸热段加设于空气预热器之后，放热段置于空气预热器的进口风道中。该发明利用烟气高品位余热产生低压饱和蒸汽，同时利用烟气低品位余热补偿原锅炉系统空气预热器中减少的传热量，产生的低压蒸汽满足后续工艺需求，同时保证了烟气流经的设备免受酸露腐蚀。中国授权专利公告号CN202203970U，专利名称为：锅炉烟气余热二次节能利用装置。该专利在现有锅炉的基础上，在锅炉炉膛的排烟口部位设置有烟气余热二次节能利用装置，装置中设置有至少一组以上的热交换管路，其中一组的热交换管路连接在锅炉的进水管路上，另一组与锅炉外冷媒、热媒连接。该装置利用烟气余热把锅炉产生的冷凝水加热，重新输入锅炉系统，降低锅炉的燃煤量，并且同时把冷水加热后用于采暖供热、供给生活热水或者工艺热水。

在现有的相关锅炉余热利用中采用蓄热技术的文献中发现，中国授权专利公告号CN 201954514U，专利名称：蓄热式余热锅炉。该发明在利用烟气余热产生蒸汽的锅炉烟道中设置了蓄热体。在烟道内部设有对流管束，对流管束通过循环管道与汽包连接，而蓄热体设置于烟气通道内部对流管束上端。由于增加了蓄热体，避免对流管束因烟气温度波动产生损坏，同时由于蓄热体的吸热作用，蓄热式热管蒸汽发生器的工作温度能够提高至1200℃，比普通热管换热器高300℃。与其相似的专利中，中国授权专利公告号CN201715910U，专利名称：一种蓄热式烟气余热回收装置。该专利提出一种蓄热式烟气余热回收装置，该装置由蓄热器和换热器两部分组成。蓄热器包括蓄热器筒体和布置于蓄热器筒体中间或内壁的至少一个蓄热体，蓄热器筒体的前端设有进烟口，后端出口直接与换热器连接；换热器的末端设置排烟口。蓄热体采用固体蓄热材料或相变蓄热材料(PCM材料)。这2个专利基本代表了目前锅炉余热利用中采用蓄热技术的主要特点，即蓄热材料内埋设烟气传热管道中，烟气与蓄热材料间的换热以导热的方式进行。然而上述装置的整体蓄热性能并不高。

发明内容

本发明提供一种满液型蒸汽蓄热器，其采用颗粒状多孔介质固液相变复合材料进行蓄热/放热，增加蓄热材料换热面积，降低蓄热材料和换热工质之间的温差，达到提高蓄热性能、延长使用寿命的效果；复合相变储热材料是一种颗粒状储热材料，由粉末状膨润土吸收融熔盐固液相变材料制备而成，以多孔质颗粒状态放置在蓄热层中，储热材料的导热性能与蓄热/放热特性无关。

本发明还提供一种用于所述满液型蒸汽蓄热器的复合相变储热材料的制备方法，制备颗粒状多孔介质固液相变复合材料，用于进行蓄热/放热，增加蓄热材料换热面积，降低蓄热材料和换热工质之间的温差，达到提高蓄热性能、延长使用寿命的效果。

本发明的技术方案如下：

一种满液型蒸汽蓄热器，所述蒸汽蓄热器为一耐压容器，其包括箱体、多个托架箱、多个筛网、多孔质复合相变蓄热层和烟气换热管，所述箱体的底部设有液体入口，上部开有蒸汽出口，所述箱体的上部为蒸汽空间，所述箱体内蒸汽空间的下部设置有饱和液体；多个所述托架箱分别水平地固定于所述箱体内壁上，多个所述筛网分别设置于各托架箱的底部和上部，所述多孔质复合相变蓄热层分别铺设于所述托架箱内，所述托架箱全部浸没在所述饱和液体内；所述烟气换热管设置于所述箱体底部的空腔中，所述烟气换热管的管腔与所述箱体的内部隔绝且与箱体外部相通，其中流动有导热工质，所述导热工质为高温烟气或其它高温换热流体；

所述多孔质复合相变蓄热层主要由颗粒状复合相变储热材料堆积而成，所述复合相变储热材料由憎水性的膨润土包裹在熔融盐外层形成颗粒状复合相变储热材料，所述复合相变储热材料的颗粒平均粒径为5-10mm。

优选的，所述熔融盐为硝酸钠。

优选的，所述膨润土和硝酸钠的质量比为3:7

优选的，所述复合相变储热材料的相变温度为305℃。

优选的，每个所述托架箱内所述多孔质复合相变蓄热层的厚度为50mm。

优选的，所述箱体底部还设有排液口；所述箱体上部设有放气口安全阀，所述箱体依次通过一压力调节阀、一蒸汽阀门而连接所述蒸汽出口，所述箱体腰部安装液体溢流阀。

本发明还提供一种所述的满液型蒸汽蓄热器的复合相变储热材料的制备方法，将膨润土和熔融盐混和配制后放入一具有搅拌装置的加热容器内，一边加热一边搅拌，加热到高于熔融盐相变温度50℃后保持该温度进行搅拌，使溶解的熔融盐全部被膨润土吸附，进而形成膨润土包裹熔融盐的包裹结构，制成平均粒径为5-10mm的颗粒状复合相变储热材料。

进一步的，所述熔融盐为硝酸钠，将膨润土和硝酸钠按3:7的质量比配制后放入一有搅拌装置的加热容器内，一边加热一边搅拌，加热到350℃后保持该温度搅拌1-2小时，使溶解的硝酸钠全部被膨润土吸附，进而形成膨润土包裹硝酸盐的包裹结构，得到平均粒径为5-10mm的颗粒状复合相变储热材料，其相变温度为305℃。

与现有的将储热材料储存在各类金属容器中的蓄热器相比，本发明所述的蒸汽蓄热器吸热和放热过程的热量传递是通过蒸汽或饱和水和颗粒状储热材料的直接接触产生的汽液相变换热变化来实现的，换热效率高。其次是储热材料是大规模堆积的颗粒层，换热面巨大，蒸汽和颗粒材料中心的温差非常小。因此本发明所述满液型蒸汽蓄热器的换热能力优异，蒸汽温度稳定。

另外，本发明烟气管路在设备底部时，底部工质被烟气管路加热，热流体往上方流动，冷流体往下方流动，形成强烈的内部对流，以致对流换热系数较高，传热效率更高，使的烟气的热量高效的传递到蓄热介质以及相变蓄热材料，提高了整个设备的蓄热效率。

再者，本发明提供更大粒径的复合相变储热材料。由于当粒径过小时，不能形成良好的膨润土包裹硝酸盐的包裹结构，会导致存在单一的材料颗粒，而并非所述的复合相变储热材料；或者当粒径过小，形成的包裹结构单位体积蓄热密度过小。而发明专利中所提出的加工工艺可获得更可靠，单位体积蓄热密度更大的复合相变储热材料。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明的满液型蒸汽蓄热器的结构示意图；

图中标记：1箱体，2烟气换热管，3液体入口，4排液口，5饱和液体，6托架箱，7底部筛网，8多孔质复合相变蓄热层，9上部筛网，10蓄热器壁面，11安全阀，12压力调节阀，13蒸汽出口，14蒸汽阀门，15溢流阀，16蒸汽空间。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中本领域技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

为了更好的说明本发明，下方结合附图对本发明进行详细的描述。

请参阅图1，图示满液型蒸汽蓄热器为一钢制耐压容器，一般为圆筒形状，其包括箱体1、多个托架箱6、多个筛网、多孔质复合相变蓄热层8和烟气换热管2。所述箱体的底部设有液体入口3，上部开有蒸汽出口13，所述箱体1的上部为蒸汽空间16，所述箱体1内蒸汽空间16的下部设置有饱和液体5；多个所述托架箱6分别水平地固定于所述箱体1内壁的蓄热器壁面10上，多个所述筛网分别设置于各托架箱的底部和上部，位于每个托架箱6底部的筛网为底部筛网7，位于每个托架箱6上部的筛网为上部筛网9，所述多孔质复合相变蓄热层8分别铺设于所述托架箱6内，所述托架箱6全部浸没在所述饱和液体5内以确保所述多孔质复合相变蓄热层8全部浸没在所述饱和液体5内；所述箱体1的底部位于托架箱6下部设置为空腔，所述烟气换热管2设置于所述箱体1底部的空腔中，所述烟气换热管2的管腔与所述箱体1的内部隔绝且与箱体外部相通，其中流动有导热工质，所述导热工质为高温烟气或其它高温换热流体；所述多孔质复合相变蓄热层8主要由颗粒状复合相变储热材料堆积而成，所述复合相变储热材料由憎水性膨润土与熔融盐组成，所述复合相变储热材料的颗粒平均粒径为5-10mm。

所述箱体1底部设有液体入口3和排液口4；该箱体1上部分别设有放气口安全阀11，蒸汽出口管路依次安装压力调节阀12、蒸汽阀门14和蒸汽出口13。在容器腰部安装液体溢流阀15防止液位过高。容器下部主要空间设置有液体工质的饱和液体5，容器上部空间为蒸汽空间16用于容纳蒸汽工质。

多个不锈钢所述托架箱6分别水平地固定于所述箱体壁面10上，多个底部筛网7分别设置于各托架箱6的底部，多个上部筛网9分别设置于各托架箱6的上部，筛网由不锈钢网格板和200目左右的不锈钢丝网制成。所述多孔质复合相变蓄热层8分别铺设于各底部筛网7上，其厚度约50mm，全部浸没在工质饱和液体5内；所述复合相变储热材料为平均粒径为5-10mm的颗粒状，其由膨润土与熔融盐组成，该熔融盐可以为硝酸钠或其它硝酸盐混合物；蒸汽和液体可以通过筛网和复合相变储热材料。

用于满液型蒸汽蓄热器的复合相变储热材料的制备方法为：将憎水性膨润土和熔融盐混和配制后放入一具有搅拌装置的加热容器内，一边加热一边搅拌，加热到高于熔融盐相变温度50℃后保持该温度进行搅拌，使溶解的熔融盐全部被膨润土吸附，形成膨润土包裹硝酸盐的包裹结构，最后制成颗粒状的复合相变储热材料。

本实施例中，将膨润土和硝酸钠按3:7的质量比配制后放入一有搅拌装置的加热容器内，一边加热一边搅拌，加热到350℃后保持该温度搅拌1-2小时，使溶解的硝酸钠全部被膨润土吸附，形成膨润土包裹硝酸盐的包裹结构，最后得到平均粒径为5-10的颗粒状的复合相变储热材料，其相变温度为305℃。

本发明可以在高温范围(200℃-400℃)内提供工质蒸汽用做下级换热设备热源，同时满液型蒸汽蓄热器内复合相变储热材料吸收储存多余热量用以调节烟气波动。本发明所述满液型蒸汽蓄热器利用换热工质的相变换热，换热性能优异，蒸汽温度稳定，换热管路安装随意，储热材料安放更换也十分简单，使用憎水性膨润土/熔融盐复合固液相变储热材料后，熔融盐固液相变储热材料以纳米级尺度被吸附封存在膨润土的纳米插层中，在反复相变过程中不会出现蒸发、溢出和氧化现象，保证了长期重复性使用寿命。

对比例

将膨润土和硝酸钠按2:1的质量比配制后放入一有搅拌装置的加热容器内，一边加热一边搅拌，加热到350℃后保持该温度搅拌1-2小时，使溶解的硝酸钠全部被膨润土吸附，最后得到平均粒径为3mm的颗粒状的复合相变储热材料，其相变温度为305℃。

对比例中，其粒径过小，存在一些单一材料颗粒，比如单一的膨润土或者单一的硝酸钠颗粒，而不是包裹结构；即使形成包裹结构，其包裹的结构由于膨润土的比例过高，导致其内部硝酸钠较少，进一步导致单位体积蓄热密度过小。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种满液型蒸汽蓄热器，其特征在于，所述蒸汽蓄热器为一耐压容器，其包括箱体、多个托架箱、多个筛网、多孔质复合相变蓄热层和烟气换热管，所述箱体的底部设有液体入口，上部开有蒸汽出口，所述箱体的上部为蒸汽空间，所述箱体内蒸汽空间的下部设置有饱和液体；多个所述托架箱分别水平地固定于所述箱体内壁上，多个所述筛网分别设置于各托架箱的底部和上部，所述多孔质复合相变蓄热层分别铺设于所述托架箱内，所述托架箱全部浸没在所述饱和液体内；所述烟气换热管设置于所述箱体底部的空腔中，所述烟气换热管的管腔与所述箱体的内部隔绝且与箱体外部相通，其中流动有导热工质，所述导热工质为高温烟气或其它高温换热流体；

所述多孔质复合相变蓄热层主要由颗粒状复合相变储热材料堆积而成，所述复合相变储热材料由憎水性的膨润土包裹在熔融盐外层形成颗粒状复合相变储热材料，所述复合相变储热材料的颗粒平均粒径为5-10mm。

2.根据权利要求1所述的满液型蒸汽蓄热器，其特征在于，所述熔融盐为硝酸钠。

3.根据权利要求2所述的满液型蒸汽蓄热器，其特征在于，所述膨润土和硝酸钠的质量比为3:7。

4.根据权利要求2所述的满液型蒸汽蓄热器，其特征在于，所述复合相变储热材料的相变温度为305℃。

5.根据权利要求1所述的满液型蒸汽蓄热器，其特征在于，每个所述托架箱内所述多孔质复合相变蓄热层的厚度为50mm。

6.根据权利要求1所述的满液型蒸汽蓄热器，其特征在于，所述箱体底部还设有排液口；所述箱体上部设有放气口安全阀，所述箱体依次通过一压力调节阀、一蒸汽阀门而连接所述蒸汽出口，所述箱体腰部安装液体溢流阀。

7.一种用于权利要求1-6任一权利要求所述的满液型蒸汽蓄热器的复合相变储热材料的制备方法，其特征在于，将膨润土和熔融盐混和配制后放入一具有搅拌装置的加热容器内，一边加热一边搅拌，加热到高于熔融盐相变温度50℃后保持该温度进行搅拌，使溶解的熔融盐全部被膨润土吸附，进而形成膨润土包裹熔融盐的包裹结构，制成平均粒径为5-10mm的颗粒状复合相变储热材料。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述熔融盐为硝酸钠，将膨润土和硝酸钠按3:7的质量比配制后放入一有搅拌装置的加热容器内，一边加热一边搅拌，加热到350℃后保持该温度搅拌1-2小时，使溶解的硝酸钠全部被膨润土吸附，进而形成膨润土包裹硝酸盐的包裹结构，得到平均粒径为5-10mm的颗粒状复合相变储热材料，其相变温度为305℃。