熱超導(dǎo)超級(jí)固體儲(chǔ)能換熱器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種熱超導(dǎo)超級(jí)固體儲(chǔ)能換熱器，屬于新型能源、節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域，用于多種品位熱能的儲(chǔ)存和再利用。本發(fā)明在固體儲(chǔ)能材料的中部設(shè)有熱超導(dǎo)管穿入孔，熱超導(dǎo)管分為加熱段、儲(chǔ)或釋熱段、散熱段，兩端分別為加熱端和散熱端，中部為儲(chǔ)或釋熱段，儲(chǔ)或釋熱段位于固體儲(chǔ)能材料位置處。本發(fā)明當(dāng)散熱段設(shè)定控制溫度,而加熱段熱源溫度波動(dòng)不穩(wěn)定，固體儲(chǔ)能裝置自動(dòng)平衡溫度和能量輸出與輸入。當(dāng)加熱段溫度過高時(shí)，熱量將快速存儲(chǔ)于固體儲(chǔ)能材料中，為散熱段提供過熱保護(hù)作用；當(dāng)加熱段溫度變低或熱量供給不足時(shí)，固體儲(chǔ)能材料向散熱端輸出熱量，使其溫度和熱流波動(dòng)控制在一定范圍，平衡輸入和輸出的變化，可廣泛應(yīng)用于太陽能、工業(yè)余熱/廢熱利用、通風(fēng)換氣空調(diào)及航天和軍事裝備等領(lǐng)域。
【專利說明】
熱超導(dǎo)超級(jí)固體儲(chǔ)能換熱器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種熱超導(dǎo)超級(jí)固體儲(chǔ)能換熱器，屬于新型能源、節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域，用于多種品位熱能的儲(chǔ)存和再利用。
技術(shù)背景
[0002]近年來，可再生能源(太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等)利用、廢熱余熱回收利用等越來越受到世界各國的重視和推廣，但是這些能源技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，迫切需要開發(fā)設(shè)計(jì)高效率、低成本的儲(chǔ)能裝置，用來調(diào)整熱能供應(yīng)與用戶端之間的不一致，熱能的貯存及釋放是極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。
[0003]由于太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生新能源固有的不穩(wěn)定性或不連續(xù)性，其規(guī)?；l(fā)展勢(shì)必會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來顯著影響，所以必須有儲(chǔ)能技術(shù)作為支撐。儲(chǔ)能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)能源的平穩(wěn)輸出，很大程度上緩解了新能源應(yīng)用過程的波動(dòng)性和隨機(jī)性的問題。
[0004]儲(chǔ)能技術(shù)中，早期利用相變材料(Phase Change Materials, PCM)進(jìn)行儲(chǔ)熱，PCM在溶化過程中以潛熱的形式吸收和儲(chǔ)存熱能，能夠在熱源的熱量有效散發(fā)到周圍空氣之前將其及時(shí)移除和儲(chǔ)存，PCM充當(dāng)了能量緩沖區(qū)的角色。但因其導(dǎo)熱性較差的原因，其發(fā)展受到限制。利用熱超管傳輸能量和高儲(chǔ)熱量固體材料(碳素材料、石墨(烯)、含鐵混合材料、陶瓷材料等)作為儲(chǔ)能介質(zhì)，超級(jí)石墨類固體材料是一種新型發(fā)展起來的高性能現(xiàn)金材料，具有比熱容大、平面導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，是一種良好的固體儲(chǔ)能材料。基于上述特性，這種結(jié)合熱超導(dǎo)技術(shù)和高性能儲(chǔ)能材料的能源管理技術(shù)，非常適用于廣泛存在的具有周期性或脈沖性特點(diǎn)的能源利用系統(tǒng)。
[0005]實(shí)現(xiàn)低級(jí)不穩(wěn)定熱源的有效利用，主要問題為熱源的輸入和輸出控制，熱源出現(xiàn)質(zhì)或量的周期性波動(dòng)或不穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生過多或過少熱量，過多的熱量將導(dǎo)致用戶(熱阱)溫度過高(過低)，進(jìn)而影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性，有效消除波動(dòng)熱源過?；蛱澣睙崃亢陀脩舳?熱沉)需求的變化是一項(xiàng)非常重要而有意義的工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠解決熱源利用過程中熱源利用效率低、不穩(wěn)定、不連續(xù)、難以儲(chǔ)存和釋放的問題，達(dá)到綜合有效利用，節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境。
[0007]技術(shù)解決方案:
熱超導(dǎo)超級(jí)固體儲(chǔ)能換熱器，包括:熱超導(dǎo)管、固體儲(chǔ)能材料，所述固體儲(chǔ)能材料中部設(shè)有熱超導(dǎo)管穿入孔，熱超導(dǎo)管分為加熱段、儲(chǔ)或釋熱段、散熱段，兩端分別為加熱端和散熱端，中部為儲(chǔ)或釋熱段，儲(chǔ)或釋熱段位于固體儲(chǔ)能材料穿入孔中。
[0008]所述熱超導(dǎo)管為真空密封管道，內(nèi)部為毛細(xì)結(jié)構(gòu)，在真空狀態(tài)下充有工作流體。
[0009]所述熱超導(dǎo)管下部散熱端即蒸發(fā)段為吸熱或集熱段，管外可以是光滑面，也可以是焊接翅片結(jié)構(gòu)，用于增加面積和強(qiáng)化傳熱； 所述熱超導(dǎo)管上部的加熱或散熱段為冷凝段，管外可以是光滑面，也可以是焊接翅片結(jié)構(gòu)。
[0010]所述固體儲(chǔ)能材料采用石墨或烯類，儲(chǔ)能材料上設(shè)有保溫殼體，保溫殼體上設(shè)有微小排氣孔。
[0011 ]本發(fā)明主要具有以下特點(diǎn):
1、本發(fā)明為儲(chǔ)能單元，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域需要任意組合儲(chǔ)能單元數(shù)，集成氣-氣、氣-液、液-液加熱或冷卻裝置；
2、固體儲(chǔ)能，使用壽命長，可靠性好，無毒無污染，環(huán)境友好，使用溫度范圍廣；
3、適合于間歇式或波動(dòng)熱源，既能調(diào)節(jié)溫度，也能調(diào)節(jié)能量輸出；
4、儲(chǔ)能速度快，效率高，容量大；
5、高溫固體儲(chǔ)能材料和熱超導(dǎo)裝置，溫度適用范圍廣，可在50°C -1500 °C范圍內(nèi)使用，可廣泛應(yīng)用于余熱和廢熱回收、太陽能采暖、太陽能熱發(fā)電、航天器件和軍事裝備熱控系等領(lǐng)域；
6、裝置可以雙向傳熱和儲(chǔ)熱，當(dāng)高溫?zé)嵩醋優(yōu)榈蜏貢r(shí)，儲(chǔ)能單元也可以向熱源端輸出熱量，可用于恒溫環(huán)境要求應(yīng)用。
[0012]本發(fā)明創(chuàng)新點(diǎn)
1、吸熱-儲(chǔ)熱-散熱一體化:本發(fā)明裝置利用熱超導(dǎo)管的特性，巧妙設(shè)計(jì)能量吸收段、固體儲(chǔ)能和能量散釋放為一體，每個(gè)單元組合使用集成裝置。熱超導(dǎo)管貫穿于裝置的吸熱段、儲(chǔ)熱段和散熱段，通過固體儲(chǔ)能材料調(diào)節(jié)使用溫度和熱流量，實(shí)現(xiàn)過程中不穩(wěn)定熱源吸收到均勻穩(wěn)定輸出。
[0013]2、能量利用效率高:熱超導(dǎo)管的超低熱阻，使得垂直方向熱傳導(dǎo)效率極高，溫差損失很小;軸向熱超導(dǎo)管結(jié)合徑向固體儲(chǔ)能材料的高導(dǎo)熱系數(shù)，能量?jī)?chǔ)存和釋放損失非常小，裝置整體能量利用效率很高。
[0014]3、性能穩(wěn)定可靠:熱超導(dǎo)管在25年內(nèi)導(dǎo)熱衰減不到5%，固體混合石墨(稀)儲(chǔ)能材料無過冷和過熱現(xiàn)象，無衰減，無化學(xué)反應(yīng)，反復(fù)使用，儲(chǔ)能溫度和儲(chǔ)能量不變，不僅性能穩(wěn)定，而且可靠性高。
[0015]4、縱向熱超導(dǎo)性:開發(fā)的熱超導(dǎo)管有效導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)5000-20000 ff/m.K，任何材料無法達(dá)到。
[0016]5、超級(jí)儲(chǔ)能材料:開發(fā)石墨類固體混合儲(chǔ)能材料，利用其獨(dú)特的二維片狀結(jié)構(gòu)，不僅儲(chǔ)能量大，而且在水平方向?qū)崴俾蔬_(dá)1200-2000 ff/m.K，利用熱超導(dǎo)管縱向超導(dǎo)，彌補(bǔ)該類材料縱向?qū)嵯禂?shù)小的缺點(diǎn)，整個(gè)儲(chǔ)能單元溫度場(chǎng)均勻分布，不僅輸出能量大，而且儲(chǔ)存和釋放速率快。
[0017]6、適用范圍廣:開發(fā)的熱超導(dǎo)元件及固體儲(chǔ)能材料，適合于熱源溫度50 °C_1500°c，使用范圍非常廣泛，是其它儲(chǔ)能材料所不能及的。
[0018]7、散熱速率可控:根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)加熱溫度和速率的要求，儲(chǔ)能過程可以將不穩(wěn)定熱源所產(chǎn)生的熱量有效地吸收和儲(chǔ)存，完全可以控制裝置的散熱速率及輸出溫度。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明裝置示意圖； 圖2為圖1的剖面圖；
圖3為圖1的一種實(shí)施方式；
圖4為圖3的剖面圖；
圖5為圖1的另一種實(shí)施方式；
圖6為圖5的剖面圖；
圖7為本發(fā)明的超導(dǎo)傳熱與超級(jí)儲(chǔ)熱原理圖。
[0020]【具體實(shí)施方式】:
熱超導(dǎo)超級(jí)固體儲(chǔ)能散熱裝置主要由熱超導(dǎo)管1(包括加熱端2和散熱端5)和儲(chǔ)熱裝置(包括保溫殼體3和固體儲(chǔ)能材料4)組成。以石墨(烯)類作為儲(chǔ)能材料，具有導(dǎo)熱系數(shù)高、能量密度大的優(yōu)點(diǎn)，能夠進(jìn)行熱量?jī)?chǔ)放的控制。
[0021]熱超導(dǎo)管I沿中心貫穿于加熱段、儲(chǔ)(釋)熱段、散熱段。熱超導(dǎo)元件基本結(jié)構(gòu)為真空密封管道，內(nèi)部設(shè)有毛細(xì)結(jié)構(gòu)，并在真空狀態(tài)下充入一定量的工作流體。一定量的工作流體被封閉在管道內(nèi)，熱量的傳遞依靠工作流體的蒸發(fā)和冷凝來實(shí)現(xiàn)，工作流體靠毛細(xì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的毛細(xì)力和脈動(dòng)來傳輸。裝置具有將熱量從一端迅速傳遞到另一端并可雙向傳遞的特點(diǎn)。
[0022]吸熱或集熱段位于熱超導(dǎo)管I下部(蒸發(fā)段)，管外可以是光滑面，也可以是焊接翅片結(jié)構(gòu)，用于增加面積和強(qiáng)化傳熱。
[0023]散熱或加熱段位于熱超導(dǎo)管I上部(冷凝段)，管外可以是光滑面，也可以是焊接翅片結(jié)構(gòu)，用于增加面積和強(qiáng)化傳熱。
[0024]儲(chǔ)熱單元設(shè)置于熱超導(dǎo)管的中部，由帶保溫層的金屬外殼2和內(nèi)填裝的固體儲(chǔ)能材料3組成。熱超導(dǎo)管沿中心線穿過金屬外殼和固體儲(chǔ)能材料，金屬外殼和熱超導(dǎo)管焊接或漲接密封，金屬外殼上有微小排氣孔。
[0025]熱超導(dǎo)超級(jí)固體儲(chǔ)能加熱裝置的原理是:當(dāng)不穩(wěn)定熱源流經(jīng)熱超導(dǎo)管I下部的集熱段時(shí)，管外翅片吸收熱量傳導(dǎo)給熱超導(dǎo)管I中的工作流體，工作流體蒸發(fā)，在氣相通道內(nèi)流向儲(chǔ)能單元熱管段和散熱端，部分能量?jī)?chǔ)存于儲(chǔ)能材料4中，部分在散熱端5用于加熱流經(jīng)氣體或液體。在儲(chǔ)能單元熱管段和散熱端冷凝的液體在熱管毛細(xì)力的作用下，返回加熱段。
[0026]當(dāng)熱源的能量大于散熱端5輸出能量，多余部分通過熱超導(dǎo)管I傳輸給固體儲(chǔ)能材料4，儲(chǔ)存起來；當(dāng)熱源的能量小于散熱端5于輸出能量，不足部分通過熱超導(dǎo)管I由固體儲(chǔ)能材料4輸出到散熱端5，實(shí)現(xiàn)能量平衡調(diào)節(jié)使用。
[0027]熱超導(dǎo)管I將熱量傳輸給與之接觸的石墨類固體儲(chǔ)能材料4，并且沿水平方向迅速傳導(dǎo)到整個(gè)材料中；縱向熱流沿?zé)岢瑢?dǎo)管I小溫差傳遞給每片石墨材料組成的固體儲(chǔ)能材料4，熱超導(dǎo)管I縱向超高導(dǎo)熱系數(shù)，彌補(bǔ)了由石墨材料固體儲(chǔ)能材料4在縱向?qū)嵯禂?shù)超低的缺點(diǎn)，整個(gè)儲(chǔ)能單元內(nèi)溫度場(chǎng)均勻分布，能量?jī)?chǔ)存大，二維超導(dǎo)，儲(chǔ)存和釋放速率快。儲(chǔ)能單元的儲(chǔ)能量由熱源和輸出的溫差決定，溫差越大，儲(chǔ)熱能力越高。
[0028]當(dāng)發(fā)明裝置的散熱段設(shè)定控制溫度，而加熱段熱源溫度波動(dòng)不穩(wěn)定，固體儲(chǔ)能裝置自動(dòng)平衡溫度和能量輸出與輸入。當(dāng)加熱段溫度過高時(shí)，熱量將快速存儲(chǔ)于固體儲(chǔ)能材料中，為散熱段提供過熱保護(hù)作用；當(dāng)加熱段溫度變低或熱量供給不足時(shí)，固體儲(chǔ)能材料向散熱端輸出熱量，使其溫度和熱流波動(dòng)控制在一定范圍，平衡輸入和輸出的變化。
[0029]本發(fā)明針對(duì)工業(yè)過程余熱、可再生能源(太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?、生物質(zhì)能源等用于低溫發(fā)電、物料烘干干燥、鍋爐、采暖供熱等存在的溫度和熱流量隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的不連續(xù)性和不穩(wěn)定性，開發(fā)設(shè)計(jì)熱超導(dǎo)固體超級(jí)儲(chǔ)能傳熱裝置。該發(fā)明整合熱超導(dǎo)傳熱和大容量石墨混合材料技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速存儲(chǔ)和釋放以及超級(jí)存儲(chǔ)能力，提高可再生能源和余熱的利用效率和平衡使用。
[0030]熱超導(dǎo)超級(jí)固體儲(chǔ)能散熱裝置是一種儲(chǔ)能和交換式熱控制單元，可廣泛應(yīng)用于太陽能、工業(yè)余熱/廢熱利用、通風(fēng)換氣空調(diào)及航天和軍事裝備等領(lǐng)域。本發(fā)明利用熱超導(dǎo)技術(shù)有效傳輸熱量，利用固體石墨(烯)類材料作為儲(chǔ)能介質(zhì)，發(fā)明裝置具有熱容大、儲(chǔ)熱速率快、可逆性強(qiáng)、使用壽命長、環(huán)境穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，是一種理想的溫度范圍寬廣的高效儲(chǔ)熱裝置。
[0031]裝置設(shè)計(jì)(用于太陽能中高溫干燥的熱超導(dǎo)超級(jí)固體儲(chǔ)能氣體加熱器):
儲(chǔ)能器外形尺寸:Φ 200x400mm，主要?dú)んw材料:SUS304;外加高溫保溫涂料；
儲(chǔ)能材料:混合層狀石墨熱壓片狀型材；
熱超導(dǎo)管:Φ 20x2300mm，主要材料:Cl 100或SUS304，其中:
加熱段尺寸:Φ20χ240πιπι，翅片:30-Φ 70mm;
集熱段尺寸:Φ 20x1660mm，裸管無翅片；
技術(shù)性能參數(shù):
裝置總儲(chǔ)能量:1.5-3.0GJ 熱源溫度范圍:50-150°C 縱向?qū)嵯禂?shù):5000-20000 ff/m.K 橫向?qū)嵯禂?shù):1200-2000 W/m.K 儲(chǔ)熱性能衰減:0%;
使用溫度范圍:45-135°C;
加熱速率:200?1000W0空氣/單體傳熱單元。
[0032]
2#裝置設(shè)計(jì)(用于間斷性余熱回收加熱流體的儲(chǔ)能加熱器):
儲(chǔ)能器外形尺寸:Φ 150x400mm，主要?dú)んw材料:SUS304;外加高溫保溫涂料；
儲(chǔ)能材料4:混合層狀石墨熱壓片狀型材；
熱超導(dǎo)管1: Φ 25x1600mm，主要材料:SUS304，其中:
加熱段尺寸:Φ25χ200πιπι，無翅片；
集熱段尺寸:Φ25χ1000πιπι，翅片:100-Φ 50mm;
技術(shù)性能參數(shù):
裝置總儲(chǔ)能量:1.5-3.0GJ 熱源溫度:100-500 °C 縱向?qū)嵯禂?shù):5000-20000 ff/m K 橫向?qū)嵯禂?shù):1200-2000 ff/m K 儲(chǔ)熱性能衰減:0%;
使用溫度范圍:80-450°C;
加熱速率:600?5000W每個(gè)單體傳熱單元。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.熱超導(dǎo)超級(jí)固體儲(chǔ)能換熱器，包括:熱超導(dǎo)管(1)、固體儲(chǔ)能材料(4)，其特征在于，所述固體儲(chǔ)能材料(4)中部設(shè)有熱超導(dǎo)管(I)穿入孔，熱超導(dǎo)管(I)分為加熱段、儲(chǔ)或釋熱段、散熱段，兩端分別為加熱端2和散熱端(5)，中部為儲(chǔ)或釋熱段，儲(chǔ)或釋熱段位于固體儲(chǔ)能材料(4)穿入孔中。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱超導(dǎo)超級(jí)固體儲(chǔ)能換熱器，其特征在于，熱超導(dǎo)管(I)為真空密封管道，內(nèi)部為毛細(xì)結(jié)構(gòu)，在真空狀態(tài)下充有工作流體。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱超導(dǎo)超級(jí)固體儲(chǔ)能換熱器，其特征在于，熱超導(dǎo)管(I)下部散熱端(5)的即蒸發(fā)段為吸熱或集熱段，熱超導(dǎo)管(I)上部的加熱或散熱段為冷凝段;熱超導(dǎo)管(I)加熱段及散熱段的外管可以是光滑面，也可以是焊接翅片結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱超導(dǎo)超級(jí)固體儲(chǔ)能換熱器，其特征在于，固體儲(chǔ)能材料(4)采用石墨或烯類，儲(chǔ)能材料上設(shè)有保溫殼體(3)，保溫殼體(3)上設(shè)有微小排氣孔。
【文檔編號(hào)】F28D20/00GK105928402SQ201610150382
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年3月16日
【發(fā)明人】王亞雄, 郎中敏, 赫文秀
【申請(qǐng)人】?jī)?nèi)蒙古科技大學(xué), 內(nèi)蒙古博特科技有限責(zé)任公司