專利名稱：一種復(fù)合蓄熱材料的制備工藝及復(fù)合充填蓄熱室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
能源材料科學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人類對能源的大量開發(fā)和利用已導(dǎo)致地球環(huán)境問題的日益嚴(yán)重。為此，開發(fā)和利用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)已顯得尤為重要。我國的一次能源利用率很低僅30％左右，與日本、美國、德國等發(fā)達(dá)國家的水平相比差距很大。工業(yè)爐是我國的能耗大戶約占全國總能耗的20％，其熱效率較低，一般低于50％，因而節(jié)能潛力很大。但是由于受到傳統(tǒng)的余熱回收利用裝置(主要指空氣預(yù)熱器)的經(jīng)濟(jì)性、材料性能、熱效率和燃燒機(jī)制等因素的制約，燃料工業(yè)爐煙余熱未能達(dá)到極限回收利用。到了90年代初，在國際燃燒領(lǐng)域特別注重開發(fā)一種新型的高溫空氣蓄熱燃燒技術(shù)。這種燃燒技術(shù)是在燃燒裝置內(nèi)設(shè)置充填有高溫蓄熱材的蓄熱室，用同爐的高溫?zé)煔忸A(yù)熱助燃空氣，預(yù)熱后的助燃空氣溫度一般只比爐溫低50～100℃煙氣的排放溫度一般降低到100～200℃，從而基本實現(xiàn)了煙煤氣余熱的極限回收。該技術(shù)的關(guān)鍵點為蓄熱室的結(jié)構(gòu)和高溫蓄熱材料的性能。目前普遍采用單一的高溫陶瓷顯熱蓄熱材料。
公知的熱能的貯藏一般分為顯熱蓄熱和潛熱蓄熱。其中，顯熱蓄熱是利用陶瓷粒、水、油等的熱容量進(jìn)行蓄熱，把熱能貯藏起來加以利用。而潛熱蓄熱則是利用相變材料的固液相相變時單位重量(體積)潛熱蓄熱量非常大的特點把熱能貯藏起來加以利用。對于固體顯熱蓄熱技術(shù)中的蓄熱材料來說，一般具有化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性好、安全性好、傳熱性能好，但單位重量(體積)的蓄熱量較小，很難保持在一定的溫度下進(jìn)行吸熱和放熱等特點。對于潛熱蓄熱技術(shù)中的蓄熱材料來說，一般具有單位重量(體積)蓄熱量大、在相變溫度附近的溫度范圍內(nèi)使用時可保持在一定溫度下進(jìn)行吸熱和放熱、化學(xué)穩(wěn)定性好、安全性好，但相變時液固兩相界面處的傳熱效果差等特點。如何充分利用固體顯熱蓄熱材料和潛熱蓄熱材料兩者的優(yōu)點，盡量克服兩者的不足去開發(fā)新型高性能復(fù)合蓄熱材料，是當(dāng)今蓄熱材料研究開發(fā)界的重點課題。另外，目前公知的蓄熱室均充填著單一的蓄熱材料，對于充填了單一潛熱蓄熱材料的蓄熱室，在蓄熱過程中沿著熱風(fēng)的流向因為溫度梯度的存在不可避免地導(dǎo)致部分蓄熱材未能在相變點附近吸熱和放熱，勢必導(dǎo)致蓄熱放熱速率過慢；而對于充填了單一顯熱蓄熱材料的蓄熱室，困為顯熱蓄熱材的熱容量太小而蓄熱效果差。

發(fā)明內(nèi)容
1.發(fā)明的目的本發(fā)明是將相變潛熱蓄熱材料復(fù)合到固相顯熱蓄熱材料中去，制備成既兼?zhèn)涔滔囡@熱蓄熱材料和相變潛熱蓄熱材料兩者的優(yōu)點，又克服了二者不足、且具備快速放熱、快速蓄熱及蓄熱密度高的復(fù)合蓄熱材料。此外，設(shè)計了充填此系列復(fù)合蓄熱材的復(fù)合充填結(jié)構(gòu)蓄熱室。本發(fā)明設(shè)計的復(fù)合充填蓄熱室根據(jù)蓄熱室吸熱放熱時的實際工況特性，把蓄熱室分成若干層，根據(jù)熱風(fēng)在蓄熱室里的溫度梯度分布，每一層鋪設(shè)復(fù)合了相應(yīng)熔點熔融鹽的復(fù)合蓄熱材，從而保證了每一部分蓄熱材料都能在相變蓄熱材的相變點附近處吸熱和放熱，克服了傳統(tǒng)蓄熱室吸熱放熱速率慢、蓄熱量小等缺點。
2.技術(shù)方案圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。將相變潛熱蓄熱材料在真空爐中加熱熔化、在熔化的熔融鹽中加入多孔顯熱蓄熱材料，然后抽真空進(jìn)行復(fù)合、取出復(fù)合蓄熱材料冷卻后，用電積方法在其表面沉積一層陶瓷膜、最后制得復(fù)合蓄熱材料成品。
工藝條件(1)顯熱蓄熱材料采用碳化硅(SiC)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鎂(Mgo)、氧化鋯(ZrO2)、氮化硅(Si3N4)、多孔質(zhì)陶瓷及石墨。
(2)顯熱蓄熱材料孔隙率控制在15～55％。
(3)相變潛熱蓄熱材料采用氟化理(LiF)、硝酸鋰(LiNO2)、氯化鋰(LiCI)、氫化鋰(LiH)、氫氧化鋰(LiOH)、碳酸鋰(Li2CO3)、碳酸鈉(Na2CO3)、氟化鋰(LiF)加氟化鈉(NaF)加氟化鉀(KF)、氫氧化鋰(LiOH)加氯化鋰(LiCI)、氯化鋰(LiCI)加氯化鉀(KCI)、氟化鋰(LF)加氟化鈉(NaF)、碳酸鋰(Li2CO3)加碳酸鉀(K2CO3)、碳酸鋰(Li2CO3)加硝酸鉀(KNO3)、碳酸鋰(Li2CO3)加碳酸鈉(Na2CO3)加碳酸鉀(K2CO3)、氟化鋰(LiF)加氟化鈣(CaF2)、氯化納(NaCI)加氯化鉀(KCI)加氯化鎂(MgCI2)、氫氧化鈉(NaOH)加氫氧化鋁(AI(OH)3)以及金屬錫、鋁。
(4)復(fù)合過程的溫度控制在比相變潛熱蓄熱材料的熔點高100～400℃。
(5)真空爐的真空度為10Pa～105Pa。
(6)相變潛熱蓄熱材料在復(fù)合蓄熱材中的重量百分比為10～40％。
圖2是充填了上述復(fù)合蓄熱材料的蓄熱室的結(jié)構(gòu)示意圖本蓄熱室的形狀與公知的蓄熱室的形狀相同，可根據(jù)需要設(shè)計成圓形或方形，尺寸大小可根據(jù)需要調(diào)整。其特征在于充填的蓄熱材料和充填方法與傳統(tǒng)蓄熱室不同。根據(jù)熱風(fēng)在蓄熱室流動時的溫度梯度分布把蓄熱室分成n層，若熱風(fēng)進(jìn)出口的溫差大，就多分幾層，反之就少分幾層；根據(jù)蓄熱室里每一層的溫度選擇復(fù)合了具有相應(yīng)熔點的復(fù)合蓄熱材料，每一層鋪設(shè)的復(fù)合蓄熱材料中的相變潛熱材料的熔點與其所處位置處的溫度吻合，其厚度根據(jù)具體需要可調(diào)。這樣使得該蓄熱室在蓄熱和放熱過程中能保證蓄熱室的各個層都能在相變潛熱材料的相變點附近吸熱，放熱，從而提高蓄熱和放熱速率，改善蓄熱室的蓄熱密度。
3.與公知技術(shù)相比本發(fā)明具有的優(yōu)點及積極效果①將相變潛熱蓄熱材料復(fù)合到顯熱蓄熱材料中制備成了既兼?zhèn)淞孙@熱蓄熱材料和相變潛熱蓄熱材料兩者的優(yōu)點、又克服了兩者不足的高性能復(fù)合蓄熱材料。
②該種復(fù)合蓄熱材料具備快速放熱、快速蓄熱及蓄熱密度高等優(yōu)良性能。
③復(fù)合速率快。
④復(fù)合蓄熱材料中占的百分比高。
⑤該復(fù)合蓄熱材料充填的復(fù)合充填結(jié)構(gòu)蓄熱室能保證在相變潛熱材料的相變點附近吸熱，放熱，熱效率高、蓄熱密度高、吸熱放熱快。


圖1是本發(fā)明工藝流程圖，圖2是充填了復(fù)合蓄熱材料的蓄熱室結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式實施例11)實施條件顯熱蓄熱材料采用氧化鋁AI2O3陶瓷，其孔隙率為40％，相變潛熱蓄熱材料采用46.5％氟化鋰(LiF)加11.5％氟化鈉(NaF)加42.0％氟化鉀(KF)，真空爐真空度為103Pa，復(fù)合溫度為655℃。
2)實施結(jié)果相變潛熱蓄熱材料在復(fù)合蓄熱材料中的重量比為25.7％，所制得的復(fù)合蓄熱材料在298K、400K、600K、1000K、1200K時的蓄熱密度分別為277、412、699、1100、1405、1715kJ/kg。
實施例21)實施條件顯熱蓄熱材料采用氧化鎂MgO陶瓷，其孔隙率為42％，相變潛熱蓄熱材料采用60％氟化鋰(LiF)加40％氟化鈉(NaF)，真空爐真空度為103pa。復(fù)合溫度為900℃。
2)實施結(jié)果相變潛熱蓄熱材料在復(fù)合蓄熱材料中的重量比為31％，所制得的復(fù)合蓄熱材料在298K、400K、600K、800K、1000K、1200K時的蓄熱密度分別為328、474、775、1092、1873kJ/kg。
實施例3(復(fù)合充填蓄熱室實施例)1)該蓄熱室的結(jié)構(gòu)參數(shù)說明高0.8m，直徑1m，顯熱蓄熱材料為氧化鋁AI2O3，鋪設(shè)復(fù)合材料層數(shù)為5層，第一層是在氧化鋁上復(fù)合了氟化鋰；第二層是在氧化鋁上復(fù)合了氟化鋰加氟化鈣；第三層是在氧化鋁上復(fù)合了氟化鋰加氟化鈉加氟化鉀；第四層是在氧化鋁上復(fù)合了氟化鋰加氟化鈉；第五層是在氧化鋁上復(fù)合了氯化鋰加氯化鉀，該蓄熱室用于高風(fēng)溫蓄熱燃燒器。
2)實施結(jié)果該蓄熱室在蓄熱過程中熱風(fēng)進(jìn)、出口溫度分別為850℃、355℃。在運行過程中，1、2、3、4和5層的蓄熱、放熱溫度分別為845℃、763℃、632℃、492℃、354℃，基本與每一層鋪設(shè)的復(fù)合蓄熱材料中相變潛熱蓄熱材料的熔點相吻合。1、2、3、4、5層的蓄熱密度分別為1320、1115、860、793、475kJ/kg。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合蓄熱材料的制備工藝，將相變潛熱蓄熱材料在真空爐中加熱熔化，在熔化的熔融鹽中加入多孔質(zhì)的顯熱蓄熱材料，然后抽真空進(jìn)行復(fù)合，取出復(fù)合好的蓄熱材料冷卻后，在其表面沉積一層陶瓷膜，得到復(fù)合蓄熱材料成品，其特征在于抽真空進(jìn)行復(fù)合的工藝條件如下(1)顯熱蓄熱材料采用碳化硅，氧化鋁、氧化鎂、氧化鋯、氮化硅以及多孔質(zhì)陶瓷及石墨，(2)顯熱蓄熱材料的孔隙率控制在15～55％，(3)相變潛熱蓄熱材料采用氟化鋰、硝酸鋰、氯化鋰、氫化鋰、氫氧化鋰、碳酸鋰、碳酸鈉、氟化鋰加氟化鈉加氟化鉀、氫氧化鋰加氯化鋰、氯化鋰加氯化鉀、氟化鋰加氟化鈉、碳酸鋰加碳酸鉀、碳酸鋰加硝酸鉀、碳酸鋰加碳酸鈉加碳酸鉀、氟化鋰加氟化鈣、氯化鈉加氯化鉀加氯化鎂、氫氧化鈉加氫氧化鋁以及金屬錫、鋁，(4)復(fù)合過程的溫度控制在比相變潛熱蓄熱材料的熔點高100～400℃，(5)真空爐的真空度為10Pa～105Pa，(6)相變潛熱蓄熱材料在復(fù)合蓄熱材料中的重量百分比為10～40％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合蓄熱材料的制備工藝，其持征是顯熱蓄熱材料采用氧化鋁陶瓷，其孔隙率為40％，相變潛熱蓄熱材料采用46.5％氟化鋰加11.5％氟化鈉加42.0％氟化鉀，真空爐真空度為103Pa，復(fù)合溫度為655℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合蓄熱材料的制備工藝，其特征是顯熱蓄熱材料采用60％氟化鋰加40％氟化鈉，真空爐真空度為103Pa，復(fù)合溫度為900℃。
4.一種用權(quán)利要求1制備的復(fù)合材料制成的復(fù)合充填蓄熱室，其特征是蓄熱室分成n層，根據(jù)蓄熱室每一層的溫度選擇復(fù)合了具有相應(yīng)熔點的復(fù)合蓄熱材料，每一層鋪設(shè)的復(fù)合蓄熱材中的相變潛熱材料的熔點與其所處位置處的溫度吻合，其厚度根據(jù)需要可調(diào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的復(fù)合充填蓄熱室，其特征是蓄熱室高0.8米、直徑1米，顯熱蓄熱材料為氧化鋁，鋪設(shè)復(fù)合材料層數(shù)為5層，其是依次在氧化鋁上復(fù)合上氟化鋰，氟化鋰加氟化鈣、氟化鋰加氟化鈉加氟化鉀、氟化鋰加氟化鈉、氯化鋰加氯化鉀。
全文摘要
一種復(fù)合蓄熱材料的制備工藝及復(fù)合充填蓄熱室,屬能源材料制備領(lǐng)域。將相變潛熱蓄熱材料在真空爐中加熱熔化后加入多孔質(zhì)的顯熱蓄熱材料在真空爐中進(jìn)行復(fù)合,再在復(fù)合好的材料表面沉積一層陶瓷膜得到復(fù)合蓄熱材料成品。用該復(fù)合材料充填的蓄熱室,兼?zhèn)淞藘煞N蓄熱材料的優(yōu)點,能保證在相變潛熱蓄熱材料的相變點附近吸,放熱,且吸熱密度高。能滿足高溫?zé)煔庥酂岬臉O限回收。
文檔編號C09K5/00GK1357591SQ0113378
公開日2002年7月10日 申請日期2001年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月28日
發(fā)明者王 華, 何方, 胡建杭, 包桂蓉, 馬文會, 呂國強(qiáng) 申請人:昆明理工大學(xué)