CN1357591A - 一种复合蓄热材料的制备工艺及复合充填蓄热室 - Google Patents

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Abstract

一种复合蓄热材料的制备工艺及复合充填蓄热室,属能源材料制备领域。将相变潜热蓄热材料在真空炉中加热熔化后加入多孔质的显热蓄热材料在真空炉中进行复合,再在复合好的材料表面沉积一层陶瓷膜得到复合蓄热材料成品。用该复合材料充填的蓄热室,兼备了两种蓄热材料的优点,能保证在相变潜热蓄热材料的相变点附近吸,放热,且吸热密度高。能满足高温烟气余热的极限回收。

Description

一种复合蓄热材料的制备工艺及复合充填蓄热室
(一)技术领域：能源材料科学领域。
(二)背景技术：随着经济的不断发展，人类对能源的大量开发和利用已导致地球环境问题的日益严重。为此，开发和利用先进的节能技术已显得尤为重要。我国的一次能源利用率很低仅30％左右，与日本、美国、德国等发达国家的水平相比差距很大。工业炉是我国的能耗大户约占全国总能耗的20％，其热效率较低，一般低于50％，因而节能潜力很大。但是由于受到传统的余热回收利用装置(主要指空气预热器)的经济性、材料性能、热效率和燃烧机制等因素的制约，燃料工业炉烟余热未能达到极限回收利用。到了90年代初，在国际燃烧领域特别注重开发一种新型的高温空气蓄热燃烧技术。这种燃烧技术是在燃烧装置内设置充填有高温蓄热材的蓄热室，用同炉的高温烟气预热助燃空气，预热后的助燃空气温度一般只比炉温低50～100℃烟气的排放温度一般降低到100～200℃，从而基本实现了烟煤气余热的极限回收。该技术的关键点为蓄热室的结构和高温蓄热材料的性能。目前普遍采用单一的高温陶瓷显热蓄热材料。
公知的热能的贮藏一般分为显热蓄热和潜热蓄热。其中，显热蓄热是利用陶瓷粒、水、油等的热容量进行蓄热，把热能贮藏起来加以利用。而潜热蓄热则是利用相变材料的固液相相变时单位重量(体积)潜热蓄热量非常大的特点把热能贮藏起来加以利用。对于固体显热蓄热技术中的蓄热材料来说，一般具有化学和机械稳定性好、安全性好、传热性能好，但单位重量(体积)的蓄热量较小，很难保持在一定的温度下进行吸热和放热等特点。对于潜热蓄热技术中的蓄热材料来说，一般具有单位重量(体积)蓄热量大、在相变温度附近的温度范围内使用时可保持在一定温度下进行吸热和放热、化学稳定性好、安全性好，但相变时液固两相界面处的传热效果差等特点。如何充分利用固体显热蓄热材料和潜热蓄热材料两者的优点，尽量克服两者的不足去开发新型高性能复合蓄热材料，是当今蓄热材料研究开发界的重点课题。另外，目前公知的蓄热室均充填着单一的蓄热材料，对于充填了单一潜热蓄热材料的蓄热室，在蓄热过程中沿着热风的流向因为温度梯度的存在不可避免地导致部分蓄热材未能在相变点附近吸热和放热，势必导致蓄热放热速率过慢；而对于充填了单一显热蓄热材料的蓄热室，困为显热蓄热材的热容量太小而蓄热效果差。
(三)发明内容：
1.发明的目的：本发明是将相变潜热蓄热材料复合到固相显热蓄热材料中去，制备成既兼备固相显热蓄热材料和相变潜热蓄热材料两者的优点，又克服了二者不足、且具备快速放热、快速蓄热及蓄热密度高的复合蓄热材料。此外，设计了充填此系列复合蓄热材的复合充填结构蓄热室。本发明设计的复合充填蓄热室根据蓄热室吸热放热时的实际工况特性，把蓄热室分成若干层，根据热风在蓄热室里的温度梯度分布，每一层铺设复合了相应熔点熔融盐的复合蓄热材，从而保证了每一部分蓄热材料都能在相变蓄热材的相变点附近处吸热和放热，克服了传统蓄热室吸热放热速率慢、蓄热量小等缺点。
2.技术方案：图1是本发明的工艺流程图。将相变潜热蓄热材料在真空炉中加热熔化、在熔化的熔融盐中加入多孔显热蓄热材料，然后抽真空进行复合、取出复合蓄热材料冷却后，用电积方法在其表面沉积一层陶瓷膜、最后制得复合蓄热材料成品。
工艺条件：
(1)显热蓄热材料采用碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)、氧化镁(Mgo)、氧化锆(ZrO2)、氮化硅(Si3N4)、多孔质陶瓷及石墨。
(2)显热蓄热材料孔隙率控制在15～55％。
(3)相变潜热蓄热材料采用氟化理(LiF)、硝酸锂(LiNO2)、氯化锂(LiCI)、氢化锂(LiH)、氢氧化锂(LiOH)、碳酸锂(Li2CO3)、碳酸钠(Na2CO3)、氟化锂(LiF)加氟化钠(NaF)加氟化钾(KF)、氢氧化锂(LiOH)加氯化锂(LiCI)、氯化锂(LiCI)加氯化钾(KCI)、氟化锂(LF)加氟化钠(NaF)、碳酸锂(Li2CO3)加碳酸钾(K2CO3)、碳酸锂(Li2CO3)加硝酸钾(KNO3)、碳酸锂(Li2CO3)加碳酸钠(Na2CO3)加碳酸钾(K2CO3)、氟化锂(LiF)加氟化钙(CaF2)、氯化纳(NaCI)加氯化钾(KCI)加氯化镁(MgCI2)、氢氧化钠(NaOH)加氢氧化铝(AI(OH)3)以及金属锡、铝。
(4)复合过程的温度控制在比相变潜热蓄热材料的熔点高100～400℃。
(5)真空炉的真空度为10Pa～105Pa。
(6)相变潜热蓄热材料在复合蓄热材中的重量百分比为10～40％。
图2是充填了上述复合蓄热材料的蓄热室的结构示意图
本蓄热室的形状与公知的蓄热室的形状相同，可根据需要设计成圆形或方形，尺寸大小可根据需要调整。其特征在于充填的蓄热材料和充填方法与传统蓄热室不同。根据热风在蓄热室流动时的温度梯度分布把蓄热室分成n层，若热风进出口的温差大，就多分几层，反之就少分几层；根据蓄热室里每一层的温度选择复合了具有相应熔点的复合蓄热材料，每一层铺设的复合蓄热材料中的相变潜热材料的熔点与其所处位置处的温度吻合，其厚度根据具体需要可调。这样使得该蓄热室在蓄热和放热过程中能保证蓄热室的各个层都能在相变潜热材料的相变点附近吸热，放热，从而提高蓄热和放热速率，改善蓄热室的蓄热密度。
3.与公知技术相比本发明具有的优点及积极效果：
①将相变潜热蓄热材料复合到显热蓄热材料中制备成了既兼备了显热蓄热材料和相变潜热蓄热材料两者的优点、又克服了两者不足的高性能复合蓄热材料。
②该种复合蓄热材料具备快速放热、快速蓄热及蓄热密度高等优良性能。
③复合速率快。
④复合蓄热材料中占的百分比高。
⑤该复合蓄热材料充填的复合充填结构蓄热室能保证在相变潜热材料的相变点附近吸热，放热，热效率高、蓄热密度高、吸热放热快。
(四)附图说明：图1是本发明工艺流程图，图2是充填了复合蓄热材料的蓄热室结构图。
(五)具体实施方式：
实施例1
1)实施条件
显热蓄热材料采用氧化铝AI2O3陶瓷，其孔隙率为40％，相变潜热蓄热材料采用46.5％氟化锂(LiF)加11.5％氟化钠(NaF)加42.0％氟化钾(KF)，真空炉真空度为103Pa，复合温度为655℃。
2)实施结果
相变潜热蓄热材料在复合蓄热材料中的重量比为25.7％，所制得的复合蓄热材料在298K、400K、600K、1000K、1200K时的蓄热密度分别为277、412、699、1100、1405、1715kJ/kg。
实施例2
1)实施条件
显热蓄热材料采用氧化镁MgO陶瓷，其孔隙率为42％，相变潜热蓄热材料采用60％氟化锂(LiF)加40％氟化钠(NaF)，真空炉真空度为103pa。复合温度为900℃。
2)实施结果
相变潜热蓄热材料在复合蓄热材料中的重量比为31％，所制得的复合蓄热材料在298K、400K、600K、800K、1000K、1200K时的蓄热密度分别为328、474、775、1092、1873kJ/kg。
实施例3(复合充填蓄热室实施例)
1)该蓄热室的结构参数说明：高0.8m，直径1m，显热蓄热材料为氧化铝AI2O3，铺设复合材料层数为5层，第一层是在氧化铝上复合了氟化锂；第二层是在氧化铝上复合了氟化锂加氟化钙；第三层是在氧化铝上复合了氟化锂加氟化钠加氟化钾；第四层是在氧化铝上复合了氟化锂加氟化钠；第五层是在氧化铝上复合了氯化锂加氯化钾，该蓄热室用于高风温蓄热燃烧器。
2)实施结果
该蓄热室在蓄热过程中热风进、出口温度分别为850℃、355℃。在运行过程中，1、2、3、4和5层的蓄热、放热温度分别为845℃、763℃、632℃、492℃、354℃，基本与每一层铺设的复合蓄热材料中相变潜热蓄热材料的熔点相吻合。1、2、3、4、5层的蓄热密度分别为1320、1115、860、793、475kJ/kg。

Claims (5)

1.一种复合蓄热材料的制备工艺，将相变潜热蓄热材料在真空炉中加热熔化，在熔化的熔融盐中加入多孔质的显热蓄热材料，然后抽真空进行复合，取出复合好的蓄热材料冷却后，在其表面沉积一层陶瓷膜，得到复合蓄热材料成品，其特征在于：抽真空进行复合的工艺条件如下：
(1)显热蓄热材料采用碳化硅，氧化铝、氧化镁、氧化锆、氮化硅以及多孔质陶瓷及石墨，
(2)显热蓄热材料的孔隙率控制在15～55％，
(3)相变潜热蓄热材料采用氟化锂、硝酸锂、氯化锂、氢化锂、氢氧化锂、碳酸锂、碳酸钠、氟化锂加氟化钠加氟化钾、氢氧化锂加氯化锂、氯化锂加氯化钾、氟化锂加氟化钠、碳酸锂加碳酸钾、碳酸锂加硝酸钾、碳酸锂加碳酸钠加碳酸钾、氟化锂加氟化钙、氯化钠加氯化钾加氯化镁、氢氧化钠加氢氧化铝以及金属锡、铝，
(4)复合过程的温度控制在比相变潜热蓄热材料的熔点高100～400℃，
(5)真空炉的真空度为10Pa～105Pa，
(6)相变潜热蓄热材料在复合蓄热材料中的重量百分比为10～40％。
2.根据权利要求1所述的复合蓄热材料的制备工艺，其持征是：显热蓄热材料采用氧化铝陶瓷，其孔隙率为40％，相变潜热蓄热材料采用46.5％氟化锂加11.5％氟化钠加42.0％氟化钾，真空炉真空度为103Pa，复合温度为655℃。
3.根据权利要求1所述的复合蓄热材料的制备工艺，其特征是：显热蓄热材料采用60％氟化锂加40％氟化钠，真空炉真空度为103Pa，复合温度为900℃。
4.一种用权利要求1制备的复合材料制成的复合充填蓄热室，其特征是：蓄热室分成n层，根据蓄热室每一层的温度选择复合了具有相应熔点的复合蓄热材料，每一层铺设的复合蓄热材中的相变潜热材料的熔点与其所处位置处的温度吻合，其厚度根据需要可调。
5.根据权利要求4所述的复合充填蓄热室，其特征是：蓄热室高0.8米、直径1米，显热蓄热材料为氧化铝，铺设复合材料层数为5层，其是依次在氧化铝上复合上氟化锂，氟化锂加氟化钙、氟化锂加氟化钠加氟化钾、氟化锂加氟化钠、氯化锂加氯化钾。
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