一种多级颗粒填充床层的堆积方法及其换热储热设备与流程

本发明属于相变储热换热，具体涉及一种多级颗粒填充床层的堆积方法及其换热储热设备。

背景技术：

1、化学储热是将化学反应热储存在化学物质中，通过吸热反应储存能量，其逆反应放出能量，化学储热的储热密度约为显热储热10倍。化学储热具有高储热密度优点。但是，化学储热存在反应过程复杂、设备性能要求高、性价比低等缺点，在实际应用过程中容易出现设备严密性差、材料腐蚀的问题，目前该项技术仍处于早期研究阶段。显热储热是通过物质自身温度改变，依靠储热材料的热物理性能来进行热量的存储和释放。显热储热应用通常只需控制温度，操作与管理简单、是目前应用较为广泛的储热方式。但这类材料储热密度较低，温度变化大，系统占用空间大，难以在紧凑空间内使用，存在一定的应用局限性。

2、相变储热通过材料在发生相变过程时吸收或放出潜热。相变储热材料可分为有机类、熔融盐类、合金类及复合类等。相变材料主要在固、液、气三相状态中变化，其中固—液相变材料的储能密度较大，相变过程中体积和温度变化小，是目前的主要研究对象。相变材料在太阳能热利用、废热余热回收、建筑节能等领域具有良好的应用前景。相变储热通常是指固—液相变。相变储热的储热密度是显热储热的5～10倍，可大幅减小设备体积，缩小系统占地面积；相变材料在相变过程中温度和体积变化较小，操作控制简单，并提高了储热控制的安全性；同时，相变储热的成本低于显热储热、化学储热和大多数的储电技术。因此，相变储热是各方面性能比较均衡的储热技术、应用前景广阔。

3、颗粒床填充床是将反应物料放置在固定的床层中，通过床层内的颗粒物料进行反应，在颗粒堆积床的应用中，无序堆积床是最常见的类型，这种堆积方法由于其生成过程的随机性，具有成本较低的优势。然而，研究已经指出，无序堆积床内部的颗粒分布是无序的，这导致流体在其中的流动路径变得复杂且多变。这种复杂性不仅增加了流动的阻力，还会导致较大的压降损失。此外，堆积结构的不均匀性还会影响到流体的传热效果，造成传热的不均匀性，使得传统的颗粒床填充床结构存在一些问题，如反应效率低、传质不均等。因此，需要一种多级颗粒填充床层的堆积方法及其换热储热设备来解决此问题。

技术实现思路

1、为达上述目的，本发明提供了一种多级颗粒填充床层的换热储热设备，包括竖向设置的储热罐，所述储热罐上端开设有流体进口通道，所述储热罐下端开设有流体出口通道，所述储热罐内从上往下依次设有多个储热床层，每个所述储热床层内均有序填充有pcm颗粒。

2、进一步的，所述储热罐从上往下依次由上部罐体、中部罐体与下部罐体组成，所述中部罐体为圆柱状，多个所述储热床层设置在所述中部罐体处；

3、所述上部罐体与所述下部罐体均为圆锥状，所述上部罐体的锥头朝上，所述流体进口通道位于所述上部罐体的上端，所述下部罐体的锥头朝下，所述流体出口通道位于所述下部罐体的下端。

4、进一步的，所述上部罐体与所述中部罐体之间水平设有上部连接法兰，所述上部罐体的下端与所述中部罐体的上端通过所述上部连接法兰固定连接；

5、所述下部罐体与所述中部罐体之间水平设有下部连接法兰，所述下部罐体的上端与所述中部罐体的下端通过所述下部连接法兰固定连接。

6、进一步的，每层所述储热床层的上侧水平设有上层定位支架，每层所述储热床层的底部水平设有下层定位支架，且相邻的两个所述储热床层之间均水平设有金属支架，所述金属支架、所述上层定位支架、所述下层定位支架均与所述中部罐体固定连接。

7、进一步的，所述中部罐体内的上方设有顶部均流器，所述顶部均流器位于所述上部连接法兰与所述上层定位支架之间，所述中部罐体内的下方设有底部均流器。

8、进一步的，所述储热床层优选设置为五层。

9、进一步的，每层填充的所述pcm颗粒的直径由上往下逐层依次减小。

10、一种多级颗粒填充床层的堆积方法，包括如下步骤：

11、s1：先将储热罐建立安装好，再将上层定位支架与下层定位支架，以及金属支架在储热罐的中部罐体内进行预装配形成多级储热床层整体，其中，每层储热床层之间均可通过支撑格架进行支撑；

12、s2：将储热罐内的多级储热床层设置为五层，然后用pcm颗粒将五层储热床层由下往上，一层一层有序排列填充满，当支撑格架与床层间隔填充时，通过调整上层定位支架与下层定位支架，以及金属支架的特征尺寸，便可形成具有不同堆积方式或具有同种堆积方式但颗粒间距不同的堆积床。

13、一种多级颗粒填充床层的pcm颗粒的制备方法，包括如下步骤：

14、m1：将无机水合盐类相变材料加热至比自身的相变温度高30℃～50℃，同时将有机相变材料加热至比自身的相变温度高30℃～50℃，然后分别得到相变为液态的无机水合盐相变材料与相变为液态的有机相变材料；其中，无机水合盐类相变材料的相变温度为35℃～55℃，有机相变材料的相变温度为35℃～65℃，无机水合盐相变材料的相变温度低于有机相变材料的相变温度；

15、m2：将陶粒加热至比无机水合盐相变材料的相变温度高35～55℃，再将其置于反应器中抽真空至相对真空度为-20kpa～-100kpa，然后在负压作用下将步骤m1中得到的过量的相变为液态的无机水合盐相变材料加入到反应器中，使陶粒完全浸没于相变为液态的无机水合盐相变材料中，接着消除真空状态至常压，最后再进行过滤，即可得吸附有无机水合盐类相变材料的陶粒；

16、m3：将步骤m2中制得的吸附有无机水合盐类相变材料的陶粒加热至比有机相变材料的相变温度高35℃～65℃，然后在负压作用下，将相变为液态的有机相变材料通过多孔喷头或雾化器，确保相变材料均匀覆盖每一颗陶粒，接着加入所述反应装置中，使陶粒完全浸没于相变为液态的有机相变材料中，消除真空状态至常压，最后再进行过滤，即可制得相变陶粒。

17、本发明的优点是：本体发明提供一种多级颗粒填充床层的堆积方法及其换热储热设备，设计了一种新型的、有序堆积的、填充床式的、梯级相变储热的、多级颗粒填充床层换热储热设备，提高了传统填充床结构的储热效率和储热密度，通过在储热罐内将储热床层共分为五层，将具有不同相变温度和不同相变焓值的pcm按照一定的顺序排列放置，形成具有一定相变温度梯度的复合pcm，梯级布置的优势是pcm和传热流体之间的传热温差能基本保持恒定，可以整体上提高系统的换热效率。该储热床层的储热结构综合考虑了储热速率和储热密度两个储热装置重要的评价指标，以实现储热床层的储热速率密度最大为设计原则，通过优化设计获得储热床层内储热颗粒直径的最佳组合，使得储热装置具有最佳的储热性能。本发明所提出的一种多种梯度的有序堆积结构，在维持同水平传热特性的情况下，通过合理设计堆积结构，传热性能有可能被进一步提升。

18、下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

技术特征：

1.一种多级颗粒填充床层的换热储热设备，其特征在于：包括竖向设置的储热罐(1)，所述储热罐(1)上端开设有流体进口通道(2)，所述储热罐(1)下端开设有流体出口通道(3)，所述储热罐(1)内从上往下依次设有多个储热床层(4)，每个所述储热床层(4)内均有序填充有pcm颗粒(5)。

2.如权利要求1所述的一种多级颗粒填充床层的换热储热设备，其特征在于：所述储热罐(1)从上往下依次由上部罐体(101)、中部罐体(102)与下部罐体(103)组成，所述中部罐体(102)为圆柱状，多个所述储热床层(4)设置在所述中部罐体(102)处；

3.如权利要求2所述的一种多级颗粒填充床层的换热储热设备，其特征在于：所述上部罐体(101)与所述中部罐体(102)之间水平设有上部连接法兰(6)，所述上部罐体(101)的下端与所述中部罐体(102)的上端通过所述上部连接法兰(6)固定连接；

4.如权利要求3所述的一种多级颗粒填充床层的换热储热设备，其特征在于：每层所述储热床层(4)的上侧水平设有上层定位支架(8)，每层所述储热床层(4)的底部水平设有下层定位支架(9)，且相邻的两个所述储热床层(4)之间均水平设有金属支架(10)，所述金属支架(10)、所述上层定位支架(8)、所述下层定位支架(9)均与所述中部罐体(102)固定连接。

5.如权利要求4所述的一种多级颗粒填充床层的换热储热设备，其特征在于：所述中部罐体(102)内的上方设有顶部均流器(11)，所述顶部均流器(11)位于所述上部连接法兰(6)与所述上层定位支架(8)之间，所述中部罐体(102)内的下方设有底部均流器(12)。

6.如权利要求2所述的一种多级颗粒填充床层的换热储热设备，其特征在于：所述储热床层(4)优选设置为五层。

7.如权利要求6所述的一种多级颗粒填充床层的换热储热设备，其特征在于：每层填充的所述pcm颗粒(5)的直径由上往下逐层依次减小。

8.如权利要求7所述的一种多级颗粒填充床层的换热储热设备，其特征在于：所述pcm颗粒(5)采用无机的储热陶粒，储热陶粒内填充的是无机水合盐相变材料与有机相变材料。

9.一种多级颗粒填充床层的堆积方法，其特征在于：包括如下步骤：

10.一种多级颗粒填充床层的pcm颗粒的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

技术总结
本发明提供了一种多级颗粒填充床层的堆积方法及其换热储热设备，属于相变储热换热技术领域，包括竖向设置的储热罐，所述储热罐上端开设有流体进口通道，所述储热罐下端开设有流体出口通道，所述储热罐内从上往下依次设有多个储热床层，每个所述储热床层内均有序填充有PCM颗粒，本体发明提供一种多级颗粒填充床层的堆积方法及其换热储热设备，通过在储热罐内将储热床层共分为五层，将具有不同相变温度和不同相变焓值的PCM按照一定的顺序排列放置，形成具有一定相变温度梯度的复合PCM，梯级布置的优势是PCM和传热流体之间的传热温差能基本保持恒定，可以整体上提高系统的换热效率。

技术研发人员：安强,孙金泽,徐哲,白景峰,黄可红,吕凌亿
受保护的技术使用者：陕西君融清洁能源有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/17