CN107606805A - 基于传热各向异性储热材料的储热系统及其加工成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于传热各向异性储热材料的储热系统及其加工成型方法，系统包括储热罐以及储热单元，储热单元堆积在储热罐内，进出口在上下两端；每个储热单元包括低导热模块和设置在低导热模块内部的若干个高导热低维模块，高导热低维模块材料导热系数是低导热模块材料导热系数的3倍以上，每个高导热系数低维模块的平面均与储热单元的长轴基本平行；储热罐内储热单元的排列采用交错的紧密堆积，且储热单元的长轴皆在水平方向，而短轴皆在竖直方向。本发明储热单元的成型及其堆积方式，使得整个储热系统内部传热具有显著的各向异性，可提高储热系统的放热效率，在储热系统中有广泛的应用前景。

Description

基于传热各向异性储热材料的储热系统及其加工成型方法

技术领域

本发明涉及储能利用研究领域，特别涉及一种基于传热各向异性储热材料的储热系统及其加工成型方法。

背景技术

太阳能、风能、工业余热等的开发利用已成为当今社会能源战略的重要组成部分。规模化可再生能源是未来我国能源的发展重点，但由于其间歇性和不稳定性，目前仍不能满足大规模连续供能的要求，因此必须开发高效储热材料与系统，以有效地解决可再生能源系统的稳定运行问题。

太阳能具有能流密度低、昼夜间歇性、白天辐照强度不稳定的特点，因此太阳能热利用系统必须通过储热技术来实现稳定的能源供应，该系统通常包括集热、吸热、蒸汽发生和储能等子系统，而储能系统的改进与完善则是目前该领域探讨的重点。

目前熔融盐双罐蓄热方式已成为太阳能热发电系统中蓄热技术的主要形式，但是双罐系统制造和维护成本较高；另一个比较有潜力的方式就是采用斜温层单罐蓄热，成本相对较低。研究者在单罐蓄热系统中加入石英石等填充多孔蓄热材料，以形成斜温层蓄热结构，并保持斜温层的稳定存在。理想的斜温层储热系统需要降低竖直方向导热系数以减少斜温层厚度和提高放热效率，同时具有较好的水平方向导热系数以保证储热固体与熔盐间的热量传递，而现有斜温层储热系统均采用各向同性的储热材料，难以满足要求。

因此,为了提高各种间歇式能源的能源利用效率并降低其成本，一种高效、结构简单、制造成本与运行调控维护成本更低的储热系统具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于传热各向异性储热材料的储热系统，该系统可大大提高放热效率，且结构简单，成本低。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述储热系统的加工成型方法，该方法具有控制简单、实现成本低的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：基于传热各向异性储热材料的储热系统，包括储热罐以及储热单元，储热单元堆积在储热罐内，进出口在上下两端；每个储热单元包括低导热模块和设置在低导热模块内部的若干个高导热低维模块，所述高导热低维模块材料导热系数是低导热模块材料导热系数的3倍以上，每个高导热低维模块的平面均与储热单元的长轴基本平行；储热罐内储热单元的排列采用交错的紧密堆积，且储热单元的长轴皆在水平方向，而短轴皆在竖直方向。

本发明中高导热低维模块、低导热模块中的高、低是一个相对概念，通过设置这两个模块，使得每个储热单元都具有传热各向异性，另外相邻层的储热单元交错堆积，使得整个储热系统内部传热都具有显著的各向异性，竖直方向低导热系数可以减薄斜温层，水平方向高导热系数可提高储热单元与传热储热介质的热交换。从而提高储热系统的放热效率，在储热系统中有广泛的应用前景。

优选的，所述高导热低维模块采用网状、棒状、或薄层结构。

优选的，所述高导热低维模块采用金属、碳化硅、石墨烯等材料制成。

优选的，所述低导热模块采用陶瓷材料、水泥等材料制成。

优选的，所述高导热低维模块和低导热模块通过烧结或者浇筑等方法组合在一起。

优选的，所述储热单元的外形为各向异性结构，例如椭球。

优选的，所述储热系统采用的传热储热介质为熔融盐、导热油、液态金属或水，可以与储热单元具有良好的相容性。

优选的，在所述储热罐进出口出分别设有分流器，所述分流器包括若干个分流口，分流口与储热罐内交错堆积的储热单元的排列间隙相对应。

一种基于上述储热系统的加工成型方法，包括步骤：

(1)高导热低维模块低维成型：选择满足高导热低维模块要求的导热材料，将材料低维成型，得到低维结构，如网状、棒状、平面薄层等；

(2)储热单元成型：选择满足低导热模块要求的导热材料，通过烧结或浇筑方法将高导热低维模块和低导热模块复合形成储热单元，储热单元外形具有各向异性，并保证内部高导热低维模块的低维结构平面与储热单元的长轴基本平行；

(3)储热单元堆积：将储热单元在储热罐中交错紧密地各向异性堆积，使储热单元的长轴基本平行于水平方向，短轴皆在竖直方向。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)储热系统放热效率高。由于传热各向异性储热单元及其特殊的堆积方式，竖直方向低导热系数可以减薄斜温层，水平方向高导热系数提高储热单元与传热储热介质的热交换，从而提高储热系统的放热效率。

(2)工作温度范围广。根据实际应用场合的工作温度选择适宜的高、低导热材料。

(3)结构简单紧凑加工方便。采用低维等简单结构，易于成型、堆积。

(4)系统成本低。采用高放热效率的单罐系统可以减少传热储热介质的用量，降低成本。

附图说明

图1是本实施例储热系统的结构示意图。

图2是本实施例储热单元结构示意图。

图3是本实施例中高导热低维模块的结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例基于传热各向异性储热材料的储热系统具体结构如图1所示，包括储热罐、各向异性堆积的储热单元、传热储热介质和进出口等。储热罐主要采用单罐结构，其尺寸取决于蓄热容量与传热储热介质热物性。罐体顶部及底部设有进出口1和6，在进出口和各向异性堆积的储热单元之间装配分流器2和5，以保证传热储热介质流动均匀，利于储热和放热。椭球形的传热各向异性储热单元3按照图1所示方式进行各向异性堆积，其长轴方向基本平行于水平方向，短轴皆在竖直方向。各向异性堆积的储热单元3与外部被保温层4隔离。

传热各向异性的储热单元3，其成型过程包括：通过高导热低维模块7和低导热模块8复合成型，储热单元3采用椭球等各向异性结构，高导热低维模块的平面与储热单元3的长轴平行；高导热低维模块7为网状，可通过高导热材料9先成型为线状或棒状，然后进行交叉编织形成，此外低维结构还可直接采用棒状或平面薄层结构，所用高导热材料9具有高储能密度，同时具有适宜的导热系数，如金属、碳化硅、石墨烯等。低导热模块8所用低导热材料，具有大比热、高温稳定性、良好的成型性能，同时不与高导热材料发生化学反应或高温互溶，如各类陶瓷材料、水泥等。所用传热储热介质可以采用熔融盐、导热油、液态金属、水等材料，与储热单元3具有良好的相容性。

所述各向异性堆积是利用传热各向异性储热单元进行各向异性堆积，使储热系统具有各向异性传热特征。

利用上述系统实现的储热放热过程，包括下述步骤：

(1)储热过程：高温传热储热介质熔盐从上部进出口1进入，流经上部分流器2，进入储热罐内部，与传热各向异性储热单元3进行换热，低温熔盐在装置底部进出口6流出，经外部循环加热后再由上部进出口1进入储热罐。

(2)放热过程：低温传热储热介质熔盐由底部进出口6进入，经下部分流器5进入储热罐内部，与罐内储热单元3换热，经装置上部进出口1流出储热系统，流出的高温熔盐经外部循环放热后，再从底部进出口6进入储热系统。

本发明的工作原理是：本发明设计的高效储热系统，是利用内部各向异性堆积的储热单元实现的。储热单元由高导热低维模块与低导热模块复合而成，高导热低维模块的低维结构平面与储热单元长轴平行，使储热单元具有水平方向的高导热系数，竖直方向的低导热系数，从而具有传热各向异性。储热单元再经过特殊的方式堆积，从而使系统在水平方向和竖直方向具有极大的传热差异性，提高系统的热效率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于传热各向异性储热材料的储热系统，其特征在于，包括储热罐以及储热单元，储热单元堆积在储热罐内，进出口在上下两端；每个储热单元包括低导热模块和设置在低导热模块内部的若干个高导热低维模块，所述高导热低维模块材料导热系数是低导热模块材料导热系数的3倍以上；每个高导热低维模块的平面均与储热单元的长轴基本平行；储热罐内储热单元的排列采用交错的紧密堆积，且储热单元的长轴皆在水平方向，而短轴皆在竖直方向。

2.根据权利要求1所述的基于传热各向异性储热材料的储热系统，其特征在于，所述高导热低维模块采用网状、棒状或薄层结构。

3.根据权利要求1所述的基于传热各向异性储热材料的储热系统，其特征在于，所述高导热低维模块采用金属、碳化硅或石墨烯制成；所述低导热模块采用陶瓷材料或水泥制成。

4.根据权利要求1所述的基于传热各向异性储热材料的储热系统，其特征在于，所述高导热低维模块和低导热模块通过烧结或者浇筑方法组合在一起。

5.根据权利要求1所述的基于传热各向异性储热材料的储热系统，其特征在于，所述储热单元的外形为各向异性结构。

6.根据权利要求1所述的基于传热各向异性储热材料的储热系统，其特征在于，所述储热系统采用的传热储热介质为熔融盐、导热油、液态金属或水。

7.根据权利要求1所述的基于传热各向异性储热材料的储热系统，其特征在于，在所述储热罐进出口处分别设有分流器，所述分流器包括若干个分流口，分流口与储热罐内交错堆积的储热单元的排列间隙相对应。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述储热系统的加工成型方法，其特征在于，包括步骤：

(1)高导热低维模块低维成型：选择满足高导热低维模块要求的导热材料，将材料低维成型，得到低维结构，低维结构为网状、棒状或薄层结构；

(2)储热单元成型：选择满足低导热模块要求的导热材料，通过烧结或浇筑方法将高导热低维模块和低导热模块复合形成储热单元，储热单元外形具有各向异性，并保证内部高导热低维模块的低维结构平面与储热单元的长轴基本平行；

(3)储热单元堆积：将储热单元在储热罐中交错紧密地各向异性堆积，使储热单元的长轴基本平行于水平方向，短轴皆在竖直方向。