一种应用于太阳能热利用中的套管式高温储热装置.pdf

本发明涉及一种应用于太阳能热利用中的套管式高温储热装置。一种应用于太阳能热利用中的套管式高温储热装置，其特征在于它包括进气管、储热室箱体、储热室门、出气管、第一通气腔体、第二通气腔体、储热材料盛装管道、蛇形管、储热材料盛装管道支撑、保温材料、蓄热材料；进气管与位于储热空间内的第一通气腔体相连通，出气管与位于储热空间内的第二通气腔体相连通；蛇形管由空气流通管道与U形管相互连接而成；蛇形管的一端与第一通气腔体相连通，蛇形管的另一端与第二通气腔体相连通；储热材料盛装管道由储热材料盛装管道支撑与空气流通管道固定，储热材料盛装管道内封装有蓄热材料；空气流通管道内的传热介质为气体。本发明具有结构简单、安全可靠且换热效率高的特点。

权利要求书
1.  一种应用于太阳能热利用中的套管式高温储热装置，其特征在于它包括进气管(1)、储热室箱体(2)、储热室门(3)、出气管(4)、第一通气腔体(5)、第二通气腔体、储热材料盛装管道(6)、蛇形管、储热材料盛装管道支撑(10)、保温材料、蓄热材料；储热室箱体(2)由储热室外壁和储热室内壁组成，储热室外壁与储热室内壁之间围成密封的保温腔，保温腔内填充有保温材料；储热室门(3)的一端与储热室箱体(2)的外壁铰接，储热室门(3)关闭时，储热室门(3)与储热室箱体围成密封的储热空间；储热室箱体(2)的一端设有进气管(1)，储热室箱体(2)的另一端设有出气管(4)，进气管(1)与位于储热空间内的第一通气腔体(5)相连通，出气管(4)与位于储热空间内的第二通气腔体相连通；蛇形管由空气流通管道(8)与U形管(7)相互连接而成；蛇形管、第一通气腔体(5)、第二通气腔体分别位于储热室箱体(2)内的储热空间内，第一通气腔体(5)、第二通气腔体分别与储热室箱体(2)固定连接，蛇形管的一端与第一通气腔体(5)相连通，蛇形管的另一端与第二通气腔体相连通；储热材料盛装管道(6)悬空设置在蛇形管的空气流通管道(8)内，储热材料盛装管道(6)由储热材料盛装管道支撑(10)与空气流通管道(8)固定，储热材料盛装管道(6)内封装有蓄热材料；空气流通管道(8)内的传热介质为气体。

2.  根据权利要求1所述的一种应用于太阳能热利用中的套管式高温储热装置，其特征在于所述的储热材料为Al-Cu-Mg-Zn高温相变储热材料，它由高纯度Al、Al-Cu中间合金、高纯度Mg和高纯度Zn原料制备而成，各原料所占质量百分数为：高纯度Al 12～21％、Al-Cu中间合金48～56％、高纯度Mg 12～15％、高纯度Zn 15％～20％。

说明书一种应用于太阳能热利用中的套管式高温储热装置
技术领域
本发明涉及一种应用于太阳能热利用中的套管式高温储热装置。
背景技术
太阳能利用技术指太阳能的直接转化和利用技术。把太阳辐射能转换成热能并加以利用属于太阳能热利用技术。利用半导体器件的光伏效应原理把太阳能转换成电能称为太阳能光伏技术。人类利用太阳能的历史可以追溯到3000年以前，但是真正把太阳能视作一种动力和能源来利用，却只有不足400年的历史。
我国对太阳能热发电技术的研究起步较晚，直到20世纪70年代才开始一些基础研究，早期研究对象多为相变储热材料中的无机水合盐类，特别是Na2SO4·10H2O是最早研究的一种无机水合盐相变储热材料。自1983-1990年Na2SO4·10H2O都是我国研究的重点，直至上世纪90年代中期，重心才转向有机储热材料及固-固相变储热材料。总体来说，我国在太阳能热动力方面的研究还是比较落后的，20世纪80年代的研究水平只相当于国外60年代的水平。我国研究的种类和方法还比较少，应用范围也主要应用在太阳暖房、农用日光等领域，范围较窄。这也为我们的研究带来更明确的目标。
相变蓄热装置是相变材料相变过程中吸收和放出热量来实现热交换过程的装置，相变储热换热设备与普通换热设备和显热储能设备相比，其突出的特点是换热设备中布置流体管道的同时需布置相变材料，并且根据相变传热的特征，相变材料与流体传热的过程中因相变材料不断发生相变而使相变材料侧的传热热阻逐渐增大，当相变材料层完全发生相变后会使系统的有效传热面积逐渐减小，从而导致流体侧的温度随之发生变化。因此采用有效的强化传热技术与设计高效的储热换热设备是提高潜热储热效率的关键。
储热材料为合金相变材料(固-液相变类型)，充热过程时，相变材料融化需要吸收大量的热量从而把外界提供的热量储存起来；放热过程时，相变材料凝固释放热量给传热介质。近期的理论及实验结果表明，自然对流效应在充、放热过程中发挥不同的作用，使这个过程有了明显的差异。自然对流作用加速熔化过程传热，却减缓并最终终止凝固的完善。充热过程中，首先接触热源的外部区域开始熔化，随着融化层想中心地带慢慢推进，因温度梯度及密度差的存在和作用，液态中必然产生自然对流效应，这使传热能力大大增强。放热过程中，相变蓄热材料放热后部分凝固，首先发生热交换的外部区域变为固相固体，还没有凝固的中心部位就只能依靠导热完成热传递，传热特性随之变差。对蓄热装置，其放热特性能否满足使用性能是至关重要的。
相变蓄热装置利用材料相变特性，当用户需要热能时，让传热介质通过相变蓄热装置中的热交换器，由蓄热材料通过导热管对传热介质加热，达到用户用热要求，当蓄热材料放出部分热量后，随着放热的增加，相变材料由液态渐变为固态。在太阳能利用中，相变蓄热装置在阳光充足时利用一定的装置把能量蓄积在储热器中，晚上电网高峰负荷的时候，利用白天储存的热能为用户供热或者利用储存的能量发电以缓解用电压力。
目前，利用相变蓄热的蓄热装置的专利已有很多，80年代时期美国DOW公司制造了采用CaCl2·6H2O为蓄热材料的太阳能系统壁橱式蓄热装置；CALMAC公司研制了三种盐水合物相变材料的整体式蓄热装置(HEATBANKRs)；1982年美国研制成功一种利用Na2SO4·10H2O共熔混合物做蓄热芯料的太阳能建筑板；1992年法国宣布在世界上第一次研制出了用于储存能量的小球(TSL系统)，也就是把状态可变盐封装在聚合物制成的小球中，小球装在容器里，容器的大小可以根据用户需要确定，全套装置体积小，存储量大，为同样体积水的10倍，主要用于空调或工业冷却；90年代时期，德国Schatz热电技术公司研制成功一种新型汽车潜热蓄热器；1992年以来国际上对汽液固蓄热系统(GALISOL)进行了研究，该系统已成为德国热电联产企业首选的蓄热系统；1992年清华大学对应用于太阳房的相变蓄热设备进行了实验研究；1998年，冒东奎等对含相变材料的壁板进行了实验研究。我国王兆元、张鸣、焦洪也公开了一种以蓄热材料NaCH3COO·3H2O为介质的利用相变蓄热的蓄热装置。但是已有的这些装置多是针对以水或者盐溶液作为传热介质的蓄热装置，这种整体式的蓄热装置存在一定的缺陷，即在高温高压下工作的稳定性和安全性欠佳。因为在太阳能热发电中，可利用气体作为传热介质，高温气体能直接推动汽轮机发电，提高发电效率。太阳能集热器加热的气体温度可高达1000℃以上，这种高温高压的传热介质对蓄热装置有很大的要求。所以对于高温蓄热装置(＞400℃)的研究有待进一步开展。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于太阳能热利用中的套管式高温储热装置，它具有结构简单、安全可靠且换热效率高的特点。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种应用于太阳能热利用中的套管式高温储热装置，其特征在于它包括进气管1、储热室箱体2、储热室门3、出气管4、第一通气腔体5、第二通气腔体、储热材料盛装管道6、蛇形管、储热材料盛装管道支撑10、保温材料、蓄热材料；储热室箱体2由储热室外壁和储热室内壁组成，储热室外壁与储热室内壁之间围成密封的保温腔，保温腔内填充有保温材料；储热室门3的一端与储热室箱体2的外壁铰接，储热室门3关闭时，储热室门3与储热室箱体围成密封的储热空间；储热室箱体2的一端设有进气管1，储热室箱体2的另一端设有出气管4，进气管1与位于储热空间内的第一通气腔体5相连通，出气管4与位于储热空间内的第二通气腔体相连通；蛇形管由空气流通管道8与U形管7相互连接而成；蛇形管、第一通气腔体5、第二通气腔体分别位于储热室箱体2内的储热空间内，第一通气腔体5、第二通气腔体分别与储热室箱体2固定连接，蛇形管的一端与第一通气腔体5相连通，蛇形管的另一端与第二通气腔体相连通；储热材料盛装管道6悬空设置在蛇形管的空气流通管道8内，储热材料盛装管道6由储热材料盛装管道支撑10与空气流通管道8固定，储热材料盛装管道6内封装有蓄热材料；空气流通管道8内的传热介质为气体。
所述的储热材料为Al-Cu-Mg-Zn高温相变储热材料，它由高纯度Al、Al-Cu中间合金、高纯度Mg和高纯度Zn原料制备而成，各原料所占质量百分数为：高纯度Al 12～21％、Al-Cu中间合金48～56％、高纯度Mg 12～15％、高纯度Zn 15％～20％。其制备工艺简单，只需要利用常规的铝镁合金的熔炼方法即可。
本发明的有益效果是：采用上述结构，其结构简单，即使传热介质为高温高压的流体时，仍能确保储热系统的安全可靠性；由于可以承受高温高压的传热介质，因此，本发明的蓄热装置内热交换过程充分、可逆，换热效率高。该套管式高温储热装置可以使用相变潜热大的高温储热材料、高温高压流体为传热介质(工质为高温空气)。
基于Al具有较大的相变潜热，Cu具有较高密度，Mg、Zn可以显著降低合金的相变温度的原理，进行合金成分的优化设计。从而增大了储热密度，降低了合金中Al元素的含量(只有36～49wt％)，降低了合金的相变温度。同时也降低了储热材料的腐蚀性。相变温度处在440℃～490℃范围内，其储热量大，相变潜热均高于300J/g，腐蚀性低，可以应用于太阳能热利用中的高温储热材料。
本发明采用相变温度440℃～490℃的Al-Cu-Mg-Zn合金作为储热材料。该材料具有储能密度大、导热系数是无机和有机相变材料的几十倍，相变时过冷度小、相偏析小，性价比良好，成本低，寿命长，效率高，不会造成环境污染。应用于太阳能热发电中相变潜热高(大于300J/g)，相变稳定性好(其中Al-24％Cu-12％Mg-18％Zn经500多次循环试验后相变温度基本保持不变，相变潜热降幅仅为7％左右)，使用寿命长(远高于目前常用的无机盐相变储热材料)。经过优化设计的Al-Cu-Mg-Zn合金具有相变温度低、相变潜热大、储热密度高、导热性好、过冷度小、相变可逆性好等优点，在太阳能热发电高温储热系统应用方面显示出巨大的潜力。
它主要应用于太阳能热发电系统，工作温度范围在400～800℃之间。
附图说明
图1是本发明的立体图；
图2是本发明的俯视图；
图3是图2的左视图；
图4是图2沿B-B线的剖视图；
图5是图2沿A-A线的剖视图；
图6是储热材料盛装管道支撑架的示意图；
图中：1.进气管，2.储热室箱体，3.储热室门，4.出气管，5.第一通气腔体，6.储热材料盛装管道，7.U形管，8.空气流通管道，9.空气流通管道连接板，10.储热材料盛装管道支撑架。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，一种应用于太阳能热利用中的套管式高温储热装置，它包括进气管1、储热室箱体2、储热室门3、出气管4、第一通气腔体5、第二通气腔体、储热材料盛装管道6、蛇形管、空气流通管道连接板9、储热材料盛装管道支撑10、保温材料、蓄热材料；
储热室箱体2由储热室外壁和储热室内壁组成，储热室外壁与储热室内壁之间围成密封的保温腔，保温腔内填充有保温材料，储热室箱体2为立方体，储热室外壁和储热室内壁均采用耐高温的钢板制成，储热室内壁与管道之间的间隙填充有保温材料(减少热量损失)；储热室门3的一端与储热室箱体2的外壁铰接，储热室门3关闭时，储热室门3与储热室箱体围成密封的储热空间；储热室箱体2的一端设有进气管1，储热室箱体2的另一端设有出气管4，进气管1与位于储热空间内的第一通气腔体5相连通，出气管4与位于储热空间内的第二通气腔体相连通；
蛇形管由空气流通管道8与U形管7相互连接而成(本实施例图4中采用7个空气流通管道8、6个U形管7)；蛇形管、第一通气腔体5、第二通气腔体分别位于储热室箱体2内的储热空间内，第一通气腔体5、第二通气腔体分别与储热室箱体2固定连接，蛇形管的一端与第一通气腔体5相连通，蛇形管的另一端通过空气流通管道连接板9与第二通气腔体相连通；
储热材料盛装管道6悬空设置在蛇形管的空气流通管道8内，储热材料盛装管道6由储热材料盛装管道支撑10与空气流通管道8固定，储热材料盛装管道6内封装有蓄热材料(粉末状)；空气流通管道8内的传热介质为气体(空气、氮气等气体)。
储热材料盛装管道(金属管道)6采用镍基合金(如：1Cr18Ni9Ti；因为金属的热传导率高，从而提高了储热室内的热交换效率)。空气流通管道(金属管道)8为直管，用U形管连接，构成蛇形管(如图4所示形状)。
气体的热传导性虽然不好，但是它的工作范围大，操作简单、无毒性，不仅能和蒸汽驱动的汽轮机，还可以直接利用高温空气驱动燃气轮机，效率更高。
保温材料可以采用硅酸铝耐火纤维或硅酸铝耐火纤维与矿渣棉板组合保温材料。
蓄热材料(储热材料)使用时，先将蓄热材料(合金粉末)装入储热材料盛装管道66内，再进行封装(不能完全装满，考虑体积膨胀)。然后将储热材料盛装管道6固定于空气流通管道8内，采用U形管把各个空气流通管道8连接，再将其放置于储热空间内，最后关上储热室门3。
套管式高温储热装置蓄热时，将经过太阳能加热的高温流体(空气)从进气管导入储热空间，通过高温空气加热储热材料盛装管道6内的蓄热材料，当蓄热材料(合金粉末)熔化前将以显热的方式储热，当温度达到其熔点时蓄热材料(铝合金)开始熔化并以相变潜热的方式存储热量。由于金属具有很大的储能密度，因此整个装置内可以存储大量热能，而且金属导热系数大，在熔化和凝固的过程中具有较快的传热效率。当太阳能减弱或者需要利用热能时，通过输入冷空气进入储热室，由于蓄热材料处于高温熔融状态，因此蓄热材料将通过热交换放出相变潜热加热空气从而使热能得以释放和利用，当液态相变蓄热材料冷却至相变温度时，液态相变蓄热材料结晶成为固态，同时放出相变潜热。并且相变蓄热材料的这种蓄-放热过程可循环利用千次以上。
Al-Cu-Mg-Zn高温相变储热材料，它由高纯度Al、Al-Cu中间合金、高纯度Mg和高纯度Zn原料制备而成，各原料所占质量百分数为：高纯度Al22％、Al-Cu中间合金48％、高纯度Mg 12％、高纯度Zn 18％；
所述的高纯度Al的质量纯度≥99.70％，Al-Cu中间合金的质量纯度≥99.00％，高纯度Mg的质量纯度≥99.50％，高纯度Zn的质量纯度≥99.50％。
上述Al-Cu-Mg-Zn高温相变储热材料的制备方法(其制备工艺简单，只需要利用常规的铝镁合金的熔炼方法即可)，它包括如下步骤：
1)配料：各原料所占质量百分数为：高纯度Al 22％、Al-Cu中间合金48％、高纯度Mg 12％、高纯度Zn 18％，选取高纯度Al、Al-Cu中间合金、高纯度Mg和高纯度Zn原料，备用；所述的高纯度Al的质量纯度≥99.70％，Al-Cu中间合金的质量纯度≥99.00％，高纯度Mg的质量纯度≥99.50％，高纯度Zn的质量纯度≥99.50％；
2)熔炼：将高纯度Al(即Al锭)装入电炉内开启电炉，加热至680℃(加热至其熔点范围以上)，使高纯度Al完全熔化后加入高纯度Zn和Al-Cu中间合金，保温25～30分钟，然后加入高纯度Mg(用铝箔包好的镁锭)至熔体中，上面撒上防止镁烧损的覆盖剂(KCl(32％～40％)、CaF2(5％～8％)、BaCl2(5％～8％)、MgCl(40％～49％))，保温20分钟然后除气，扒渣，得到铝合金液。
3)凝固：停止加热，打开电炉，将铝合金液倒入冷却模中冷凝，得到Al-Cu-Mg-Zn高温相变储热材料(质量成分比为：Al-24％Cu-12％Mg-18％Zn)。
经等离子光谱分析，本实施例所得到的产物的质量成分比为：Al-24％Cu-12％Mg-18％Zn，差热扫描量热仪(DSC)上测得的单位质量潜热为345J/g，相变温度为460.4～486.5℃。线膨胀系数测定仪测得的膨胀系数为25.06*10-6/℃，在使用温度段蒸汽压低。经500多次循环试验后相变温度基本保持不变，相变潜热降幅仅为7％左右[说明相变稳定性好，使用寿命长(远高于目前常用的无机盐相变储热材料)]。说明本实施例所得到的产物具有相变潜热高(单位质量潜热为345J/g)、相变稳定性好、使用寿命长、储热密度高(400～800℃之间总储热量为3610.2J/cm3)、相变可逆性好、腐蚀性低(SS304L不锈钢对其耐蚀等级为4)的特点，可以用于太阳能热发电高温储热系统。
实施例2：
与实施例1基本相同，不同之处在于：
Al-Cu-Mg-Zn高温相变储热材料，它由高纯度Al、Al-Cu中间合金、高纯度Mg和高纯度Zn原料制备而成，各原料所占质量百分数为：高纯度Al 13％、Al-Cu中间合金52％、高纯度Mg 15％、高纯度Zn 20％；
所述的高纯度Al的质量纯度≥99.70％，Al-Cu中间合金的质量纯度≥99.00％，高纯度Mg的质量纯度≥99.50％，高纯度Zn的质量纯度≥99.50％。
上述Al-Cu-Mg-Zn高温相变储热材料的制备方法(其制备工艺简单，只需要利用常规的铝镁合金的熔炼方法即可)，它包括如下步骤：
1)配料：各原料所占质量百分数为：高纯度Al 13％、Al-Cu中间合金52％、高纯度Mg 15％、高纯度Zn 20％，选取高纯度Al、Al-Cu中间合金、高纯度Mg和高纯度Zn原料，备用；所述的高纯度Al的质量纯度≥99.70％，Al-Cu中间合金的质量纯度≥99.00％，高纯度Mg的质量纯度≥99.50％，高纯度Zn的质量纯度≥99.50％；
2)熔炼：将高纯度Al(即Al锭)装入电炉内开启电炉，加热至700～720℃(加热至其熔点范围以上)，使高纯度Al完全熔化后加入高纯度Zn和Al-Cu中间合金，保温25～30分钟，然后加入高纯度Mg(用铝箔包好的镁锭)至熔体中，上面撒上防止镁烧损的覆盖剂(KCl(32％～40％)、CaF2(5％～8％)、BaCl2(5％～8％)、MgCl(40％～49％))，保温20分钟然后除气，扒渣，得到铝合金液；
3)凝固：停止加热，打开电炉，将铝合金液倒入冷却模中冷凝，得到Al-Cu-Mg-Zn高温相变储热材料(Al-26％Cu-15％Mg-20％Zn)。
经等离子光谱分析，本实施例所得到的产物的质量成分比为：Al-26％Cu-15％Mg-20％Zn，差热扫描量热仪(DSC)上测得的单位体积潜热为307J/g，相变温度为442.4～478.5℃。线膨胀系数测定仪测得的膨胀系数为23.18*10-6/℃，在使用温度段蒸汽压低。经500多次循环试验后相变温度基本保持不变，相变潜热降幅仅为9％左右[说明相变稳定性好，使用寿命长(远高于目前常用的无机盐相变储热材料)]。说明本实施例所得到的产物具有相变潜热高(单位质量潜热为307J/g)、相变稳定性好、使用寿命长、储热密度高(400～800℃之间总储热量为3111.9J/cm3)、相变可逆性好、腐蚀性低(SS304L不锈钢对其耐蚀等级为4)的特点，可以用于太阳能热发电高温储热系统。