专利名称：一种固态储热结构及加工方法
技术领域：
本发明涉及一种储热装置及加工方法，特别涉及一种太阳能光热利用系统中的储热装置。
背景技术：
太阳能是比较理想的新能源，但利用上却存在时效性问题，日照期间所接受的能量超过所需，日落之后却无法发挥作用。因而如何把日照时多余的能量储存起来，以用于日落后系统的持续运行，即取有余以补不足，成为实现太阳能热利用装置连续运行的关键问题。现有的太阳能储存技术中，有报道或使用过多种储热介质。近年有报道在实验室中获得以特定材料作基体支撑的复合相变材料(定形相变材料)，用以储存热量，但其存在导热系数低的缺点，而且相变材料在储热过程中发生相变，由于体积的变化，容易发生漏露的隐患。另外，工业上也有使用三元铝合金用以作为相变储存材料，多次循环使用对于储热性能，例如相变储热的温度、寿命等参数有负面作用，因为储热材料本身在工作过程中进行反复的固液相变，杂质元素将会影响其使用性能和使用寿命。目前现有的已经工业化的太阳能热发电机组多利用无机盐做储热材料，但无机盐在相变过程中存在过冷和相分离的缺点，影响了储热能力，并且其凝固温度过高，造成夜间为保证其不凝固而进行的保温循环热损失较大，一旦系统出现凝固点后处置困难，存在安全隐患；熔盐系统管路中使用的泵、阀价格昂贵且使用寿命也比较短，而且无机盐具有毒性，容易泄漏发生火灾，且泄漏会对环境造成的污染。固态储热方案有混凝土储热，成本较高，导热系数较低等等；砂石储热，虽然价格便宜，但导热率低，换热困难，不能定型自支撑，影响使用；固体金属或合金储热虽然机械强度好，导热率高，但价格昂贵。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种成本低廉、导热好，热容大，储热性能好，可应用于多领域储热的固体储热结构和所述固体储热结构的加工方法。本发明提供了一种固体储热结构，所述固体储热结构是由集料和高导热率填充剂按照集料级配混合后形成的立体贯通网状结构；所述立体贯通网状结构是由高导热率填充剂将集料形成的空隙填充构成。优选地，所述高导热率填充剂占所述固体储热结构配料总重量的5% 30%。优选地，所述集料为金属废料、陶瓷、玻璃、矿石、砖瓦、天然石材中的一种或几种。优选地，所述高热导率填充剂为金属或金属合金中的一种或几种。优选地，所述固体储热结构内部布置有传输热量的管路系统。优选地，所述管路系统为金属管路系统。优选地，所述固体储热结构内部布置有金属管道和由定型件拔出后形成的通道。
本发明所提供的固体储热结构可应用于太阳能光热利用系统。本发明还提供了一种固体储热结构的加工方法，包括以下步骤，步骤A，将不同级别的集料按照集料级配混合；步骤B，用振动成型法使所得的集料振动混合；步骤C，将振动成型后的集料的上表面放置填充剂，然后将集料和填充剂进行加热至填充剂熔融并将集料空隙填充后，缓慢冷却，完成浇铸成型。优选地，所述步骤C中，采用连续隧道炉进行固体储热结构的浇铸成型。本发明所固体储热结构可应用于太阳能光热利用系统。本发明的固体储热介质不具有流动性，储热利用固体显热性能储热，运行安全；整 个储热介质紧密形成一体，大量增强了多界面之间的传热，且高热导率材质的立体网状结构相对均匀的分布于整个储热介质空间内，大大增强了热能的传递，使介质整体具有良好的热导率；该固体储热结构成本低、导热好、热容大，可应用于各种储热应用，特别是太阳能光热利用系统。
下面参照附图对本发明的具体实施方案进行详细的说明，附图中图I是本发明固体储热块整体结构第一实施例示意图；图2是本发明固体储热块整体结构第二实施例示意图；图3是图2的通道7的示意图。图4是本发明固体储热块整体结构加工方法流程图。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明进行进一步的详细说明。集料在公路工程中的是指在混合料中起骨架和填充作用的固体颗粒，包括碎石、砾石、机制砂、石屑、砂、金属屑、渣等。级配是指集料各级粒径颗粒的分配情况，可通过筛析试验确定。级配也是个公路实施的概念，通过选择不同的集料及使用不同的配比获得所需空隙率和表面积。图I是本发明的固体储热块整体结构第一实施例示意图。第一实施例的固体储热结构I由多种混合料混合构成，即由粗集料2、细集料4及高导热率填充剂5整体形成的高热导储热固体储热结构I。填充剂材料5在高温下熔化成液态浸透进入混合集料的空隙，冷却后与集料共同形成储热固体整块。其中粗集料为两种规格的固体颗粒材料，即粒径15mm 30mm的粗集料2和粒径30mm 60mm的粗集料3,优选地,粗集料包括金属废料、陶瓷、玻璃、矿石、砖瓦和天然石材中的一种或几种，天然石材包括玄武岩、辉绿岩或石灰岩或鹅卵石中的一种或几种。细集料4为粒径为3mm 15mm的固体颗粒集料，优选地，细集料为石灰岩、辉绿岩、玄武岩或鹅卵石集料中的一种或几种。优选地，固体颗粒集料选自密度高、比热容大的材料，以获得更高的储热密度。高导热率的填充剂5为金属或合金材料，优选地，填充剂5是纯铝或铝合金、铁、锡、锌、铅、铜及其合金中的一种或几种，优选地，填充剂5掺量占整个集料总质量的5% 30%。填充剂5在高温下熔化成液态浸透进入混合集料空隙，冷却后与级配集料共同成固体储热结构I整块。固体储热结构I的内部布置有管路系统6，优选地，管路为金属管路，用以向固体储热结构I内部输送热量或输出热量。更优选地，在所述金属管路系统中配置翅片，以增强换热面积和换热能力。在一个实施例中，粗集料还可以包括一定比例的金属球、陶瓷球或玻璃球，所述金属球或陶瓷球或玻璃球内部为中空的密闭空间，在球内布置有在设计使用温度范围发生相变的填充物质。优选地，填充物质选自金属材质的锡、钠、钾、锌及合金或无机盐类及混合物中的一种或几种；优选地，填充物质选自如硝酸盐或碳酸盐中的一种或几种；优选地，填充物质选自有机材料，如浙青、甘油、石蜡等固液相变材料或水之类的液汽相变材料中的一种或几种。利用这些材料的相变热，增强整体储热密度。该固体储热结构的集料具有精确的级配等级，由各种大小不同的粒级集料组成，根据所需的导热能力，选择集料配级的粒径尺寸和集料空隙率，将不同粒径的集料 混合后在空隙中填充高导热率填充剂，以此控制高导热填充剂在储热结构中的比例，从而获取所需的整体导热率。优选地，在导热能力满足要求的情况下，可尽量减少填充剂用量，以降低成本，同时尽量加大填充剂与集料间的接触面积，增强热传能力。优选地，在保证导热效果的前提下，尽量降低与集料相比价格较高的填充剂使用量，降低总体成本；同时在保证填充剂能充分流动并填充空隙的前提下，尽量加大填充剂与集料的接触面积，增强热传能力。图2是本发明固体储热块整体结构第二实施例示意图。集料选择与第一实施例描述相同，与之不同之处为固体储热结构还布置有由集料和填充料自身形成的管道系统，可用于气体类热传介质传输通道，减少金属管路，降低成本。在固体储热块的集料级配的过程中，布置贯通的热能输入金属管道的同时布置金属定型件，该金属定型件在金属管热能输入方向的垂直面内阵列布置。优选地，金属定型件沿贯通的热能传输方向成倒锥形，以便浇铸成型后从固体储热结构内部拔模。固体储热结构内部规律地布置有垂直贯通的输出热量的通道7，将金属模具拔出后，在固体储热结构的集料和填充剂中形成了相应的模具型的输出热量管道7，从而增强固体储热结构的换热面积，所述管道代替了输出热量的金属管道，减少了金属管路，降低成本。图3是图2中通道7的示意图。优选地，通道7的横截面型为圆形、方形或星形等，具有较大的表面积。优选地，通道7在贯通的方向上成一定的倒锥形，以方便制作拔模。图4是本发明固体储热块整体结构加工方法流程图。整个固体储热结构的加工方法，包括三个步骤，分别为步骤A、集料级配；步骤B、振动成型；步骤C、浇铸成型。具体的步骤为步骤A、集料级配固体储热结构按照一定集料级配混合，装入坚固的耐热模具中，同时布置贯通的热量输入、输出金属翅片；步骤B、振动成型通过振动成型法获得所需的孔隙率，该振动成型法可以减少集料的级配的改变，能够充分发挥骨架的强度，细集料作为填料能充分填充骨架的空隙，在振动压实的过程中，由于出现颗粒之间的相对位置发生变化，出现了相互填充现象，颗粒之间的间隙减少，同时能紧密接触，增大被压实材料的内摩擦阻力，使自支撑能力随之提高；步骤C、浇铸成型将振动成型后的集料连同模具一同放进高温炉，在集料的上表面放置所述固体储热结构总配料质量的5% 15%的填充剂，如纯铝或铝合金材料，将高温炉内升温到700°C以上开始浇铸成型，保持一定的浇铸时间后，纯铝锭或铝合金结构在熔融的状态下充分浸入至集料的空隙之中，缓慢冷却后，完成浇铸成型。在一个实施例中，浇铸成型也可以采取模具内的集料结构和待浇注的铝或铝合金各自独立升温后再将熔融的铝或铝合金浇注集料结构上的方式，完成整体浇铸成型，拆卸模具之后，获得内部具有输入输出的金属管道，且内部布满铝质立体网状空间结构的良好储热结构整块。在一个实施例中，可以按所需设计要求布置贯通的热能输出金属管道的同时，在热能输入的方向上贯穿布置定型件，当将定性件拔出后可形成热量输出的通路。所述定型件在金属管道的热能输入方向的垂直面内阵列布置，且金属定型件沿热能输出方向即定型件贯通方向上成倒锥形，以便浇铸成型后从固体储热结构内部拔模，形成输出热量的通路。在一个实施例中，为了节约加工所需能源，将高温的整块储热结构冷却过程中释放的热量可用来为下一储热结构浇铸成型升温；在一个实施例中，浇铸成型工艺采用连续隧道炉生产，以最大程度地实现节能高效加工。本发明提供了一种由级配集料混合，通过高热导率的材质灌注其中，在级配集料的内部空间形成由高热导率材质构成的立体贯通网状结构，将集料固定其中形成一个整体，具备自支撑能力；该固体储热介质不具有流动性，储热利用固体显热性能储热，运行安全；整个储热介质紧密形成一体，大量增强了多界面之间的传热，且高热导率材质的立体网 状结构相对均匀的分布于整个储热介质空间内，大大增强了热能的传递，使介质整体具有良好的热导率；并且该储热介质的主要部分所选材料成本低廉，来源丰富，制作简单，具有很高的性能价格比；同时由于不存在熔盐类物质的低温凝固后影响流动的问题，可以具有很大的换热温差，扩大了使用温度范围，因此具有更大的储热能力；该固体储热结构成本低、导热好、热容大，可应用于各种储热应用，特别是太阳能光热利用系统。显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限定。
权利要求
1.一种固体储热结构，其特征在于，所述固体储热结构是由集料和高导热率填充剂按照集料级配混合后形成的立体贯通网状结构，所述立体贯通网状结构是由高导热率填充剂将集料形成的空隙填充构成。
2.其中所述高导热率填充剂占所述固体储热结构配料总重量的5% 30%。
3.根据权利要求I所述的一种固体储热结构，其特征在于，所述集料为金属废料、陶瓷、玻璃、矿石、砖瓦、天然石材中的一种或几种。
4.根据权利要求I所述的一种固体储热结构，其特征在于，所述高热导率填充剂为金属或金属合金中的一种或几种。
5.根据权利要求I所述的一种固体储热结构，其特征在于，所述高导热填充剂为铝、铁、锡、锌、铅、铜及其合金的一种或几种。
6.根据权利要求I所述的一种固体储热结构，其特征在于，所述固体储热结构内部布 置有传输热量的管路系统。
7.根据权利要求6所述的一种固体储热结构，其特征在于，所述管路系统为金属管路系统。
8.根据权利要求6或7所述的一种固体储热结构，其特征在于，所述管路系统配置有翅片。
9.根据权利要求6所示的一种固体储热结构，其特征在于，所述固体储热结构内部布置有金属管道和由定型件拔出后形成的通道。
10.根据权利要求9所示的一种固体储热结构，其特征在于，所述由定型件形成的通道的横截面型为圆形、方形或星形。
11.根据权利要求I所示的一种固体储热结构，其特征在于，所述集料包括粗集料和细集料。
12.根据权利要求11所述的一种固体储热结构，其特征在于，所述粗集料还包括中空的金属球、陶瓷球、玻璃球中的一种或几种，其中所述密闭空间内布置有可相变的填充物质。
13.根据权利要求12所述的一种固体储热结构，其特征在于，所述球体内的填充物质为有机材料。
14.根据权利要求13所述的一种固体储热结构，其特征在于，所述有机材料为浙青、甘油、石蜡中的一种或几种。
15.根据权利要求I所述的一种固体储热结构，其特征在于，所述固体储热结构可应用于太阳能光热利用系统。
16.一种固体储热结构的加工方法，其特征在于，包括以下步骤， 步骤A，将不同级别的集料按照集料级配混合； 步骤B，用振动成型法使所得的集料振动混合； 步骤C，将振动成型后的集料的上表面放置填充剂，然后将集料和填充剂进行加热至填充剂熔融并将集料空隙填充后，缓慢冷却，完成浇铸成型。
17.根据权利要求16所述的一种固体储热结构的加工方法，其特征在于，所述步骤C中，采用连续隧道炉进行固体储热结构的浇铸成型。
全文摘要
本发明提供了一种固体储热结构及加工方法，所述固体储热结构是由集料及高导热率的填充剂形成的自支撑的立体贯通网状结构，填充剂材料在高温下熔化成液态浸透进入混合集料空隙，冷却后与集料共同形成储热固体整块。本发明的固体储热介质不具有流动性，储热利用固体显热性能储热，运行安全；整个储热介质紧密形成一体，大量增强了多界面之间的传热，且高热导率材质的立体网状结构相对均匀的分布于整个储热介质空间内，大大增强了热能的传递，使介质整体具有良好的热导率；该固体储热结构成本低、导热好、热容大，可应用于各种储热应用，特别是太阳能光热利用系统。
文档编号C09K5/06GK102735087SQ201110084048
公开日2012年10月17日 申请日期2011年4月2日 优先权日2011年4月2日
发明者刘阳 申请人:刘阳