CN110332738A - 一种复合相变材料回热器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合相变材料回热器，包括储热体和设置在储热体外部的保温材料层，其特征在于，所述储热体包括包覆材料层和填充在包覆材料层内部的相变材料层，所述储热体上下两端分别设有隔热材料层和支撑材料层，所述有隔热材料层、支撑材料层和保温材料层依次从内至外设置，所述储热体两侧外部设有丝网，所述储热体之间的间隔处形成流体通道。该回热器解决了降低回热损失和降低轴向流动阻力损失不可兼得的问题，提高回热器的性能。

Description

一种复合相变材料回热器
技术领域
本发明及热能回收利用领域技术领域，尤其涉及一种复合相变材料回热器。
背景技术
能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础。人类历史上经历的三次工业革命，第一、第二次工业革命是以人类大规模利用能源和利用能源方式的改进为标志。第三次工业革命，也是以第一、第二次工业革命建立的工业化基础之上进行的。人类社会的工业化进程，消耗了和消耗着地球上大量的资源，改变了人类赖以生存的生态环境。大气污染、水污染、土壤污染等，给人类社会带来了前所未有的压力。因此，能源资源开发及利用和减少能源污染已经成为了刻不容缓的大事，也是摆在科学家面前的重要课题。
在工业领域，余热回收再利用是提高能源利用效率最有效的途径之一。回热器就是余热回收再利用的关键设备。因此，回热器的性能直接影响能源综合利用的效率。
回热器存在三大主要损失，按损失值大小依次为回热损失、轴向流动阻力损失和轴向导热损失。
回热器回热效率的物理意义是回热器实际换热量与最大可能换热量之比，是衡量回热器性能的重要指标，假设流经回热器的工质物性为常数，回热效率可根据下式计算：
式中，T1、T2分别为热吹期热流体进、出口温度，T3、T4分别为冷吹期冷流体进、出口温度。
根据工质与回热器材料之间的能量守恒，有：
或，
式中，为热吹期或冷吹期流经回热器的工质平均质量流量，cp，g为工质的平均热容；m为回热器的质量，cp，s为回热器材料的热容。约等于热吹期和冷吹期之间回热材料的温差。由(2)式，热吹期和冷吹期回热材料的温差与回热器材料质量固定情况下，回热器材料的热容越大，右侧数值越大。对固定的工质，式(2)左侧T1-T2的差越大。再根据式(1)，热吹期进口工质温度固定和冷吹期工质出口温度确定情况下，热吹期温差T1-T2或冷吹期温差T4-T3的值越大，回热器的回热效率越高。
根据欧根公式，堆积床多孔介质的流阻可以用如下公式计算，
式中，Δp为流动阻力、Dp为堆积床多孔介质的特征尺度、ε为孔隙率、μ为流体粘度、L为堆积床厚度、u为流体流经堆积床多孔介质的表观速度、ρ为流经堆积床多孔介质的流体密度。
根据公式(4)，显然有孔隙率越高，即ε越大，Δp越小。孔隙率和流阻关系的规律符合所有结构形式的多孔介质。因此，为了降低回热器的轴向流动阻力损失，回热器材料多采用高孔隙率的多孔介质。然而，提高孔隙率ε，降低了流阻损失，但是也同时降低了公式(2)、(3)的右边项，进而降低公式(2)、(3)的左边项的差值。
因此，就回热器性能来说，降低回热损失和降低轴向流动阻力损失是一对矛盾。现有的回热器结构，比如金属丝网回热器、平板型回热器、蜂窝陶瓷回热器、多孔纤维型回热器、针束型回热器、泡沫陶瓷回热器和堆积床回热器，均未能有效解决这对矛盾。
本发明致力于解决上述问题。本发明的目的在于克服现有回热器性能不高的缺陷，提供一种全新的基于复合相变材料的回热器。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种复合相变材料回热器，解决了降低回热损失和降低轴向流动阻力损失不可兼得的问题，提高回热器的性能。
本发明是这样实现的，一种复合相变材料回热器，包括储热体和设置在储热体外部的保温材料层，所述储热体包括包覆材料层和填充在包覆材料层内部的相变材料层，所述储热体上下两端分别设有隔热材料层和支撑材料层，所述有隔热材料层、支撑材料层和保温材料层依次从内至外设置，所述储热体两侧外部设有丝网，所述储热体之间的间隔处形成流体通道。由于相变材料在熔化时吸收热量、凝固时释放热量，相变潜热的存在能够大大增加复合相变材料的有效热容，常用材料比热的数值为0.5-5kJ·Kg-1·K-1，而一般相变物质在相变时的潜热为几百至几千kJ·Kg-1。比如，冰的溶解潜热为335kJ·Kg-1，而水的比热容为4.2kJ·Kg-1·K-1)，进而增大公式(2)、(3)左边项的温差T1-T2或T4-T3的值，最终增加公式(1)中分子的值，提高回热器的回热效率。
作为优选，所述储热体的结构形式为球形、椭球形、板式、管式和针式，回热器为可采用丝网回热器、平板型回热器、蜂窝状回热器、多孔纤维型回热器、针束型回热器、泡沫陶瓷回热器或堆积床回热器。
作为优选，所述相变材料层由一种相变材料或组合式相变材料制成，所述组合式相变材料包含2-10种具有不同相变温度的相变材料，按相变温度高低依次排列构成。
作为优选，所述组合式相变材料由具有不同相变温度的相变材料均匀混合而成，导热流体经过储热体与组合式相变材料进行热交换。保温层对回热器的换热器整体进行保温。
作为优选，所述相变材料中添加有导热增强材料。
作为优选，所述所相变材料层的相变温度自热吹侧向冷吹侧逐渐降低。
作为优选，所述导热增强材料为纳米颗粒或具有高导热系数的泡沫材料。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：(1)在回热器轴向流动阻力损失相同的情况下，显著降低回热器的回热损失，达到提高回热器效率的目的；(2)在回热器回热损失相同的情况下，能够减小回热器尺寸，从而显著降低回热器的轴向流动阻力损失，达到提高回热器效率的目的；(3)回热器材料采用组合式相变材料，还能够显著提高回热器的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例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他的附图。
图1是本发明提供的一种复合相变材料回热器的剖视结构图；
图2是本发明实施例1提供的一种复合相变材料回热器的立体结构图；
图3是本发明实施例2提供的一种复合相变材料回热器的立体结构图；
图4是本发明实施例2提供的一种复合相变材料回热器的储热体轴测图；
图5是本发明实施例2提供的一种复合相变材料回热器的储热体剖视图；
图6是本发明实施例3提供的一种复合相变材料回热器的立体结构图；
图7是本发明实施例3提供的一种复合相变材料回热器的储热体轴测图；
图8是本发明实施例3提供的一种复合相变材料回热器的储热体剖视图；
图9是本发明实施例4提供的一种复合相变材料回热器的立体结构图；
图10是本发明实施例4提供的一种复合相变材料回热器的储热体轴测图；
图11是本发明实施例4提供的一种复合相变材料回热器的储热体剖视图；
图12是本发明实施例5提供的一种复合相变材料回热器的剖视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
为了便于理解本发明，首先对本发明所涉及的材料、结构和热工等领域的一些术语简单介绍如下：
回热器是一种热交换器，其中来自热流体的热量在被传递到冷流体之前间歇地存储在热存储介质中，为了实现这一点，使热流体与储热介质接触，然后用冷流体置换流体，冷流体吸收热量。
储热体指回热器工作时与工作流体进行热交换的部件。
复合相变材料指相变材料和包覆材料、导热增强材料复合而成的材料。
回热损失指回热器由于自身的性能特点导致的性能损失。
轴向流阻损失指导热流体需要在压力驱动下流经回热器时，压差对流体所作的功。
组合相变材料指多种相变温度的相变材料，均匀混合构成的新的相变材料，或者按相变温度高低依次排列构成的具有梯级相变温度的相变材料，相变材料照其化学组成可分为无机相变材料、有机相变材料和复合相变材料。无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐、金属合金等无机物；有机相变材料包括石蜡、羧酸、酯、多元醇等有机物；混合相变材料主要是有机和无机共融相变材料的混合物。多种相变材料混合可以获得合适的相变温度。
热吹侧、冷吹侧分别指回热器的两侧。回热器工作时，热流体和冷流体分别间断、交替地流经回热器的储热体，温度高的流体和温度低的流体分别对应的回热器一侧，称为热吹侧和冷吹侧。
如图1所示，一种复合相变材料回热器，包括储热体1和设置在储热体1外部的保温材料层6，所述储热体1包括包覆材料层2和填充在包覆材料层2内部的相变材料层3，包覆材料层2可以是陶瓷、金属、塑料等。所述储热体1上下两端分别设有隔热材料层4和支撑材料层5，所述有隔热材料层4、支撑材料层5和保温材料层6依次从内至外设置，所述储热体1两侧外部设有丝网8(防止储热体1移动)，所述储热体1之间的间隔处形成流体通道7用于流体通过。
实施例1
如图2所示，一种复合相变材料回热器，具体为堆积床回热器，储热体1采用复合相变材料，储热体1呈球体形状，装入圆形管。为了降低损失，圆形管从里向外为3层，分别为隔热材料层4、支撑材料层5和保温材料层6(与图1排布方式相同)。组装完成后，即形成复合相变材料回热器。流体从颗粒之间的缝隙里流过，与颗粒进行热交换。
实施例2
如图3-5所示，一种复合相变材料回热器，具体为丝网形回热器，储热体1的排布方式与实施例1不同，储热体1为交叉管状，储热体1填充在一段圆管内。为了降低损失，圆管从里向外为3层，隔热材料层、支撑材料层和保温材料层。为了防止储热体1的复合相变材料单元的松动、相对移动等结构不稳定的情况，可采用丝网、多孔板、局部焊接或者粘接等措施。组装完成后，即形成复合相变材料回热器。流体从复合相变材料单元之间的缝隙里流过，与复合相变材料进行热交换。
实施例3
如图6-8所示，一种复合相变材料回热器，具体为针式回热器，储热体1的排布方式与实施例1不同，储热体1为等距分布的管状，储热体1填充在一段圆管内。为了降低损失，圆管从里向外为3层，隔热材料层、支撑材料层和保温材料层。为了防止储热体1的复合相变材料单元的松动、相对移动等结构不稳定的情况，可采用丝网、多孔板、局部焊接或者粘接等措施。组装完成后，即形成复合相变材料回热器。流体从复合相变材料单元之间的缝隙里流过，与复合相变材料进行热交换。
实施例4
如图9-11所示，一种复合相变材料回热器，具体为针式回热器，储热体1的排布方式与实施例1不同，储热体1为螺旋形的片状，储热体1填充在一段圆管内。为了降低损失，圆管从里向外为3层，隔热材料层、支撑材料层和保温材料层。为了防止储热体1的复合相变材料单元的松动、相对移动等结构不稳定的情况，可采用丝网、多孔板、局部焊接或者粘接等措施。组装完成后，即形成复合相变材料回热器。流体从复合相变材料单元之间的缝隙里流过，与复合相变材料进行热交换。
实施例5
如图12所示，储热体1采用了5种具有不同相变温度的相变材料层，具体为相变材料层31、相变材料层32、相变材料层33、相变材料层34和相变材料层35。所包含5种相变材料相变温度自热吹侧向冷吹侧逐渐降低排列。相变温度可以根据热吹侧和冷吹侧的温度来定。比如，热吹侧的温度为500℃，冷吹侧的温度为300℃，那么所选用相变材料的相变温度可以是400℃的一种相变材料，或者相变温度为300℃-500℃之间的2-10种相变材料构成的组合式相变材料。
为了进一步提高回热器的性能，复合相变材料中的相变材料可以采用如下措施：(1)向相变材料中添加有导热增强材料作用的材料。其中，所添加的导热增强材料为具有高导热系数、在使用温度范围内稳定、不与相变材料发生反应的纳米颗粒或泡沫材料；(2)采用组合式相变材料。所述组合式相变材料包含2-10具有不同相变温度的相变材料。组合式相变材料由具有不同相变温度的相变材料均匀混合而成；或所包含几种相变材料相变温度自热吹侧向冷吹侧逐渐降低。
具体使用方法与作用：
使用该回热器时，热吹期内，高温流体通过热吹侧进入回热器的内部，高温流体的显热通过对流换热传给回热器的储热介质，然后温度降低，从冷吹侧流出；冷吹期内，冷流体从冷吹侧流入回热器内部，热吹期存储在储热介质上的热量通过对流换热传给冷流体，冷流体温度增加，从热吹侧流出。完成一个循环。本发明通过把回热器的储热介质改为复合相变材料，显著提高了储热介质的储热能力，从而显著提高了回热器对的回热效率。
综上所述：该复合相变材料回热器，通过把回热器的传统储热介质改为复合相变材料，复合相变材料的相变潜热极大地提高了储热材料的热容，进而在使用回热器时提高了回热器的回热效率，最终提高能源的利用效率。本发明通过材料上的改进，具有节能环保、热交换效率高、回热器体积紧凑等优点，从而有效的解决了现有装置中存在的问题和不足。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：(1)在回热器轴向流动阻力损失相同的情况下，显著降低回热器的回热损失，达到提高回热器效率的目的；(2)在回热器回热损失相同的情况下，能够减小回热器尺寸，从而显著降低回热器的轴向流动阻力损失，达到提高回热器效率的目的；(3)回热器材料采用组合式相变材料，还能够显著提高回热器的效率。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种复合相变材料回热器，包括储热体(1)和设置在储热体(1)外部的保温材料层(6)，其特征在于，所述储热体(1)包括包覆材料层(2)和填充在包覆材料层(2)内部的相变材料层(3)，所述储热体(1)上下两端分别设有隔热材料层(4)和支撑材料层(5)，所述有隔热材料层(4)、支撑材料层(5)和保温材料层(6)依次从内至外设置，所述储热体(1)两侧外部设有丝网(8)，所述储热体(1)之间的间隔处形成流体通道(7)。
2.根据权利要求1所述的一种复合相变材料回热器，其特征在于，所述储热体(1)的结构形式为球形、椭球形、板式、管式和针式。
3.根据权利要求1所述的一种复合相变材料回热器，其特征在于，所述相变材料层(3)由一种相变材料或组合式相变材料制成，所述组合式相变材料包含2-10种具有不同相变温度的相变材料。
4.根据权利要求3所述的一种复合相变材料回热器，其特征在于，所述组合式相变材料由具有不同相变温度的相变材料均匀混合而成。
5.根据权利要求3所述的一种复合相变材料回热器，其特征在于，所述相变材料中添加有导热增强材料。
6.根据权利要求3所述的一种复合相变材料回热器，其特征在于，所述所相变材料层的相变温度自热吹侧向冷吹侧逐渐降低。
7.根据权利要求5所述的一种复合相变材料回热器，其特征在于，所述导热增强材料为纳米颗粒或具有高导热系数的泡沫材料。
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