蓄热型热端换热器.pdf

本发明提供了一种蓄热型热端换热器，由蓄热装置与余热驱动热声热机连接而成，其特征在于：蓄热装置的蓄热材料主要成份为无机盐，溶解剂为水，活性剂为石墨，相变区间为290～310℃；蓄热材料各组份的重量配比为：5～10份三氟化锑SbF3，15～20份石墨颗粒，68～80份纯净水。蓄热装置采用紫铜制作，内部成蜂窝状设计。蓄热材料中的石墨颗粒直径为50～200微米。本发明所提供的蓄热型热端换热器，构造简单、配置方便、原料易得、价格便宜，能有效地吸收余热并稳定的释热。为热声热机提供驱动热源实现余热回收利用，为余热利用提供新的方法，拓展热声热机的使用范围。

1、  一种蓄热型热端换热器，由蓄热装置与余热驱动热声热机连接而成，其特征在于：
蓄热装置的蓄热材料主要成份为无机盐，溶解剂为水，活性剂为石墨，相变区间为290～310℃；
蓄热材料各组份的重量配比为：5～10份三氟化锑SbF₃，15～20份石墨颗粒，68～80份纯净水。

2、  根据权利要求1所述的蓄热型热端换热器，其特征在于：蓄热装置采用紫铜制作，内部成蜂窝状设计。

3、  根据权利要求1所述的蓄热型热端换热器，其特征在于：蓄热材料中的石墨颗粒直径为50～200微米。

蓄热型热端换热器
技术领域
本发明涉及一种采用热声技术利用铝电解槽余热所需的热端换热器，涉及到热驱动热声热机实用技术研究及蓄热型新型热端换热器研究和低品位余热利用的研究领域。
背景技术
可持续发展是我国的一项基本国策。在工业领域，节能降耗是实现可持续发展的有效途径。特别是对于铝电解这样的高耗能行业来说，通过利用其余热的方式来实现节能降耗的目标具有很高的可行性。
近年来，我国铝工业发展迅猛，随之而来的高能耗、高污染也成为制约其发展的关键因素。铝电解工业水平的不断提高，使得电解槽容量不断增大，电解槽单位面积的散热强度亦不断增大，从另一方面来说单位面积释放到空气中的热量较以前大大增加。由于生产规模扩大，散热总面积也快速增长，这两者相加使得铝电解槽余热成为影响能耗指标和对环境污染程度的重要影响因素。在铝电解槽总散热损失中，上部散热损失最大约占散热量的50％，槽壳侧部散热损失次之约占总散热量的35％，大量的余热从此处直接排向空气中，不仅造成巨大的能量损失，而且恶化车间的工作环境。并且铝电解槽壳侧部散热在铝电解槽的能量平衡中起着较为重要的作用。如果能将铝电解槽壳侧部的余热利用起来，可以在减少很大一部分的散热损失的同时改善槽内流场分布，提高效率。
铝电解槽侧部槽壳温度多在270～300℃左右，属于较低品味的余热。目前的余热利用技术基本上都是基于对高温烟气和废水中热量的再次回收，且用途多为制取热水和用于预热。铝电解槽结构特殊，无法采用成熟的余热回收工艺利用其余热，且温度较低可利用空间相对较小，这就需要一种新的技术实现余热回收。
热声热机是自上世纪90年代兴起的一个新兴研究方向，近二十年来成为声学、低温等领域的研究热点。热声热机能够将热能转化为声振荡，在热机内部形成规律的压力波。其特点如下：
(1)完全没有运动部件，结构非常简单从根本上消除了常规热机存在的磨损与振动，因此具有可靠性高、结构简单等优点，具有高度的可靠性；
(2)采用热能驱动，可利用低品位热能、余热、太阳能、天然气等作为热源，具有很大的灵活性和发展潜力。采用低品位的热能和余热不仅有利于提高系统的热力学效率，而且对那些缺乏电能的场合则更具有实际意义；
(3)利用余热的热驱动热声热机使用惰性气体工质作为工作介质，具有良好的环保性。
采用驱动热声热机利用铝电解槽余热，可以充分发挥热声热机的优点，使得这种利用余热的新方式既高效又环保。铝电解槽壳侧部余热温度在一区间内变化，不能直接作为热驱动热声热机的热源，本发明针对这一问题提出采用蓄热型热端换热器。这种新型换热器的主要材料为相变材料，能够将余热转化为稳定的热源驱动热声热机。
发明内容
本发明的目的是：针对铝电解槽槽壳侧部散热孔排放的余热由于其温度的不稳定性不能直接作为热驱动热声热机的热源，而设计一种蓄热型热端换热器作为连接铝电解槽与热声热机的热传递部件。通过在换热器内吸热-蓄热-放热的过程将铝电解槽余热稳定、持续的供给热声热机作为驱动热源，通过热声系统将热能转化为声能，再又负载利用转化来的声能发电。从而把低品位的余热转化为高品味的电能，实现更为有效的余热利用。
本发明的理论依据是：本发明以传热学、材料学相关原理为依据。根据相变材料有较大潜热蓄热能力以及蓄放热过程近似恒温的特点，以氟化物为主要材料设计出相变温度为300℃左右的固液相变材料。为增加其相变潜热，添加部分石墨晶体，具体配比见于技术方案。本发明中的相变材料在300℃时成为熔融状态，平稳释放潜热。为保证高效传热，采用传热系数较高的紫铜作为容器材料，并可根据现场需要制造成不同形状的模块。
本发明的技术方案：蓄热装置的蓄热材料主要成份为无机盐，溶解剂为水，活性剂为石墨，相变区间为290～310℃；
蓄热材料各组份的重量配比为：5～10份三氟化锑SbF3，15～20份石墨颗粒，68～80份纯净水。
蓄热材料中的石墨颗粒直径为50～200微米。
本发明中蓄热装置材料采用紫铜，内部成蜂窝状设计。填料孔尺寸为20×20mm，孔数根据现场需要设计，容器长度在100～300mm内可调。
本发明所提供的蓄热型热端换热器，构造简单、配置方便、原料易得、价格便宜，能有效地吸收余热并稳定的释热。为热声热机提供驱动热源实现余热回收利用，为余热利用提供新的方法，拓展热声热机的使用范围。
具体实施方式
以下结合实施例作具体详细说明。
实施例1：
蓄热试剂的配比为：5g SbF₃+77g H₂O+18g石墨颗粒(颗粒直径为50～200微米)，其相变温度为300℃左右。
蓄热装置的制作方法如下：
(1)准备纯度为99.99％及以上的分析试剂SbF₃，纯净水、石墨颗粒(颗粒直径为50～200微米)等备用；
(2)根据现场需要设计制造合适的蓄热容器；
(3)准备分析天平、容器、搅拌设备等辅助设备；
(4)按照确定的配方把各种组份按照比例称好各自的重量。若溶液总质量为100g，则除去SbF₃及石墨颗粒，其余为纯净水。
(5)首先把主要的蓄热试剂SbF₃加入在步骤(4)中称好重量的纯净水中，若溶液总质量为100g则纯净水质量为75g，具体情况根据实际使用所需溶液总质量按照配比确定，边加试剂边开动搅拌设备，以使试剂在水中混合溶解均匀；
(6)把辅助试剂石墨颗粒加入上面配好的试剂中，也是一边添加试剂，一边搅拌，直至混合均匀备用；
(7)把配制好的试剂装入蓄热容器中，蓄热剂的添加容积不得大于蓄热容器内部有效容积的95％；
(8)对蓄热容器进行封口备用。
实施例2：
配比：取SbF₃10g，15g石墨颗粒，再配75g纯净水。
具体操作方法同上。