專利名稱：微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能源技術(shù)領(lǐng)域，確切地說是一種微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管。
背景技術(shù)：
我國是一個能源供應(yīng)十分緊張的國家，也是世界上電負(fù)荷最大的國家，但卻存 在著用電高峰負(fù)荷增長很快，而電網(wǎng)負(fù)荷率逐年下降，峰谷差很大等問題。通過削峰或移峰填谷新技術(shù)，將高峰需求盡可能抑制到最低，或轉(zhuǎn)移高峰需求 到低谷時段，對能源的有效利用、減少發(fā)電廠投入、以及電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有好處。據(jù) 日本東京電力公司統(tǒng)計(jì)，日本電網(wǎng)負(fù)荷率每提高1%，可降低供電成本1%，減少200 300KT左右的C02排放量，還可以延緩或推遲新機(jī)組建設(shè)，潛在的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益 十分巨大。由于削峰填谷對節(jié)約資源、節(jié)能減排具有重要意義，因此電熱儲能技術(shù)做為 電網(wǎng)削峰填谷、節(jié)能減排的一項(xiàng)重要而有效的技術(shù)手段在發(fā)達(dá)國家得到了廣泛的推廣和 應(yīng)用。但在我國發(fā)展的不快，其中既有國情和社會宏觀政策方面的原因，也有技術(shù)方面 的原因。電是不能儲存的，但可以采用多種方式使介質(zhì)形態(tài)發(fā)生變化，通過電能與其它 能量的轉(zhuǎn)換，起到間接“儲存”電能的作用，即采用電加熱的方式將儲能材料加熱并在 需要時釋放出去。電儲能的主要方式早期的儲能技術(shù)主要是采用水做為能量的存貯材料，如采用冰蓄冷、水儲能的 方式，隨著應(yīng)用的推廣，后期逐漸開始研究專門的儲能材料，目前主要有兩大類潛熱儲能材料即相變儲能材料，就是利用電能使物質(zhì)發(fā)生相變(如固態(tài)液態(tài) 之間的轉(zhuǎn)化)，將相變時吸收或釋放的熱能儲存起來，在需要時釋放出去。相變材料種 類很多，又可分為有機(jī)材料和無機(jī)材料兩大類，總體而言，有機(jī)材料的穩(wěn)定性和使用壽 命不如無機(jī)材料，國內(nèi)在實(shí)踐中多用于太陽能工程或熱泵工程輔助電加熱項(xiàng)目中，設(shè)計(jì) 溫度為攝氏110度以下的低溫；無機(jī)材料的主要問題是熔化后溫度很高、有一定的揮發(fā) 性，對很多金屬材料的腐蝕性較強(qiáng)，熔化前后體積有一定的變化。顯熱儲能材料將物質(zhì)發(fā)生溫度變化時所吸收或釋放的熱能儲存起來，如較高 溫度的水降低溫度，需要向外界釋放熱能，從而達(dá)到升高外界溫度的效果。實(shí)踐中顯熱 儲能材料多采用無機(jī)材料。總體上看，顯熱儲能材料的儲能密度與潛熱儲能的相變材料相比儲能密度較 低，因而所生產(chǎn)的產(chǎn)品重量大、體積也龐大，而采用潛熱儲能材料的產(chǎn)品則相對體積
小、重量輕。做為儲能產(chǎn)品需要根據(jù)儲能材料的特點(diǎn)同時解決加熱、儲能和放熱的問題。目 前市場所能見到的除采用水為儲能材料之外的儲能產(chǎn)品中有三種典型的方法一是采用 通過專門加工的金屬合金做為儲能材料，例如鐵基合金材料，該方法在技術(shù)上對儲能、 放熱問題解決較好，主要生產(chǎn)方法是將一定顆粒度的鐵粉和一定顆粒度的無機(jī)相變儲能材料等按一定的配比混均后，經(jīng)模具和壓力機(jī)加壓成型，再將壓制成型的坯料經(jīng)過高溫 燒結(jié)而成。其特點(diǎn)是鐵粉經(jīng)高溫熔化再冷卻后，形成一個鐵質(zhì)的類似海綿狀的骨架，骨 架表面和內(nèi)部形成一個個尺寸較小的蜂窩孔洞，孔洞內(nèi)含有儲能相變材料，相變材料儲 能熔化后因表面張力的作用而被固定在孔洞內(nèi)，鐵質(zhì)的骨架同時起到導(dǎo)熱的作用，加熱 時將熱量傳導(dǎo)給儲能材料，放熱時再將熱量傳導(dǎo)出來。該方法較好的解決了儲能材料的 加熱和放熱問題，但該產(chǎn)品的重量較大，鐵質(zhì)骨架存在銹蝕問題，其加工過程對環(huán)境的 污染很大，不符合環(huán)保的要求，同時采用紅外加熱的方法，加熱器的壽命只有3000小 時，壽命較短，加熱的效率和速率相對不高。另一種典型方法是將有機(jī)相變儲能材料封 閉在一個小型容器內(nèi)，制成儲能膠囊、儲能球、儲能柱或者是儲能板，再將裝有儲能材 料的小型容器置于一個較大的容器內(nèi)制成儲能箱，這種方法多采用低溫相變材料，由水 (也有采用導(dǎo)熱油)做為導(dǎo)熱介質(zhì)，儲能時由獨(dú)立的熱源將導(dǎo)熱介質(zhì)加熱，再由導(dǎo)熱介質(zhì) 將熱量傳導(dǎo)給儲能材料，放熱時導(dǎo)熱介質(zhì)再將儲能材料中的熱量傳導(dǎo)出來。該方法成本 較高，因有機(jī)相變材料的穩(wěn)定性相對較差、儲能能力衰減較快。目前市場上還有一種采 用顯熱儲能的方法，該方法是使用無機(jī)固體儲能材料，將無機(jī)固體儲能材料制成一定規(guī) 格和尺寸的塊體，在制作過程中將電熱絲或電熱管直接埋入到固體材料中。該方法成本 最低，實(shí)踐中也有一定的應(yīng)用，但使用壽命短，可靠性、工藝和質(zhì)量最差。同時，目前在電熱儲能市場上已經(jīng)推廣的產(chǎn)品中還普遍存在采用低電壓加熱的 問題，限制了電熱儲能項(xiàng)目的推廣和應(yīng)用。一方面是現(xiàn)有的相變儲能材料在設(shè)計(jì)過程中 均未考慮耐電壓的問題，例如專門開發(fā)的金屬合金儲能材料，有機(jī)相變材料的耐電壓較 低，無機(jī)相變材料在熔融狀態(tài)下耐電壓水平很低或者導(dǎo)電，使其儲能裝置無法采用高電 壓加熱方式。許多非相變儲能材料，如無機(jī)固體類儲能材料耐電壓水平較高但其儲能密 度很低，制成產(chǎn)品后重量太重，體積龐大。另一方面是我國商住樓、居民小區(qū)和成規(guī)模 的工業(yè)企業(yè)等一般均采用IOKV高壓供電，但線路到達(dá)用戶后，多會經(jīng)過低壓配電變壓器 等設(shè)備轉(zhuǎn)換成380V或220V低電壓供其他電器使用，因此目前的儲能電熱裝置基本上均使 用電壓為380V或220V的電源加熱。但是，電熱儲能需要在6-8小時的低谷時段內(nèi)，將 全天需要的熱能存儲起來，就需要較大的電功率，多數(shù)用戶的低壓配電設(shè)備(如變壓器) 容量有限，如果安裝目前的電熱儲能裝置，用戶常常需要更換現(xiàn)有的部分或全套供電設(shè) 備，包括變壓器、開關(guān)柜、控制柜和線路等，常常造成較大的額外支出。因此，低電壓 加熱方式對電熱儲能項(xiàng)目的推廣使用造成了制約，形成了一種瓶頸，限制了電熱儲能項(xiàng) 目的發(fā)展。為解決上述問題，本發(fā)明人曾提出了一種“可用于高壓電源的納米電加熱儲能 裝置”，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)仍然有繼續(xù)改進(jìn)的必要。微晶陶瓷是近些年發(fā)展起來的新型陶瓷材料，由于微晶陶瓷材料具有優(yōu)良的力 學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等性能，如機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨耐腐蝕、抗氧化性好、絕緣性質(zhì)優(yōu) 良、膨脹系數(shù)可調(diào)、熱穩(wěn)定性好等，特別是它同時具備的抗熱振性和耐腐蝕性是其他材 料所不具備的，且簡單的制備工藝技術(shù)、廉價(jià)的原材料和低的制造成本，以及能工業(yè)化 大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢，不失為一種高性能低價(jià)位、應(yīng)用市場廣闊的新型陶瓷材料，已成為 新型陶瓷材料開發(fā)應(yīng)用的熱點(diǎn)之一，開辟了一個沒有替代材料可以滿足其技術(shù)要求的全 新領(lǐng)域，從而在許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種同時具有電熱轉(zhuǎn)換和熱能存儲功能的微晶陶瓷電熱儲 能復(fù)合管。微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管由儲能材料、網(wǎng)狀導(dǎo)熱籠、導(dǎo)熱片與具有電加熱功 能、且散熱性能良好、可裝填相變儲能材料的微晶陶瓷電熱復(fù)合管組成。微晶陶瓷電熱 儲能復(fù)合管的管壁由內(nèi)到外依次由內(nèi)絕緣層、電加熱層和外絕緣層、外殼復(fù)合而成，微 晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管的兩端由端蓋板將儲能材料、導(dǎo)熱籠、導(dǎo)熱片封閉在管內(nèi)，導(dǎo)熱 籠制成三維結(jié)構(gòu)埋于儲能材料中；導(dǎo)熱片將裝有儲能材料和導(dǎo)熱籠的復(fù)合管內(nèi)部分隔成 多個儲能腔，電熱儲能復(fù)合管與電源之間采用星形接線或三角形接線。根據(jù)所選用的儲能材料的不同，可以設(shè)置內(nèi)襯層也可以不設(shè)內(nèi)襯層，內(nèi)襯層即 可以采用金屬材料(如不銹鋼材料)，也可以采用耐溫防腐材料(如陶瓷燒結(jié)材料)當(dāng)采用高溫相變儲能材料時，可在相鄰兩個導(dǎo)熱片之間加裝有導(dǎo)熱性好、耐腐 蝕性好、可形成較大孔隙率的絲狀填料(如不銹鋼絲狀材料)。復(fù)合管上帶有安裝固定卡扣，卡扣由金屬導(dǎo)電材料制成，與由微晶陶瓷材料制 成的、內(nèi)埋有導(dǎo)電體的安裝支架相連，安裝支架通過導(dǎo)電螺栓將電熱儲能復(fù)合管與電源 導(dǎo)線連接起來，并通過安裝支架實(shí)現(xiàn)電熱儲能復(fù)合管之間的串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)的連 接，電熱儲能復(fù)合管與電源之間的星形接線或角形接線。采用微晶陶瓷材料做為復(fù)合管的內(nèi)絕緣層和外絕緣層，同時起到導(dǎo)熱的作用。 電加熱材料層可按不同需要采用電熱板、電熱帶、電熱絲等也可以采用電熱漿料、電熱 涂料等不同的電熱材料。微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管內(nèi)裝填有儲能材料，儲能材料可以有較寬的選擇范 圍，可以是無機(jī)材料(如氯化鉀、氯化鈉、氟化鈉、氟化鎂、氟化鈣、氟化鋰、硝酸 鉀、硝酸鈉、亞硝酸鈉等以及由其構(gòu)成的組合鹽)，也可以是有機(jī)材料(如石蠟、棕櫚 酸、硬脂酸等)，還可以是金屬及其合金(如鎂、鋁、鋁-硅合金、鋁-硅-鎂合金等 等)，還可以是各種相變儲能復(fù)合材料(如鐵基合金儲能材料、鋁基合金儲能材料、陶瓷 基儲能復(fù)合材料、多孔石墨儲能復(fù)合材料等等。利用該微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管可以生產(chǎn)電熱儲能裝置，包括儲能室、換熱室 和控制室和外殼，其特征在于儲能復(fù)合管安裝在儲能室內(nèi)，儲能室和換熱室用隔熱 層分開，隔熱層上裝有換熱風(fēng)門，換熱室內(nèi)裝有換熱器，儲能室內(nèi)裝有安裝有風(fēng)機(jī)葉片 (19)或與風(fēng)機(jī)連通，控制室設(shè)在裝置內(nèi)或設(shè)在裝置外。儲能復(fù)合管用隔板隔開分組，由 隔板構(gòu)成風(fēng)道和循環(huán)風(fēng)道。循環(huán)風(fēng)道裝有循環(huán)風(fēng)門。外殼內(nèi)有內(nèi)襯層。采用微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管制成的微晶陶瓷電熱儲能裝置，該裝置包括儲能室、換熱室和控制室，控制室可以設(shè)在裝置內(nèi)也可以不設(shè)在裝置內(nèi)。儲能 室主要由微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管(也可以是其他同時帶有電加熱和儲能功能的電熱儲 能組合單元)、隔板及由隔板構(gòu)成的風(fēng)道、風(fēng)機(jī)、循環(huán)風(fēng)門和循環(huán)風(fēng)道構(gòu)成，換熱室主要 由換熱器和換熱風(fēng)門構(gòu)成。其他部分主要有結(jié)構(gòu)架、內(nèi)襯層、隔熱層、外殼、傳感器和 自動控制系統(tǒng)等。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是一是相變材料選擇范圍大，可以采用已有的大多數(shù)的有機(jī)或 無機(jī)相變材料，相變溫度可以從幾十?dāng)z氏度到一千多攝氏度；二是使用加熱電源的電壓等級可以從0.22千伏到10千伏；三是電熱儲能復(fù)合管集加熱、儲能、放熱功能于一體； 四是使用、維護(hù)和安裝都很方便。適合各種儲能裝置使用，可以應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、民 用等不同的領(lǐng)域中


圖1是微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2是電熱儲能裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1是內(nèi)襯層，2是內(nèi)絕緣層，3是電加熱層，4是外絕緣層，5是外殼，6是 端蓋板，7是導(dǎo)熱籠，8是儲能材料，9是絲狀填料，10是導(dǎo)熱片，11是管殼，12是固定 卡扣，13是儲能室，14是換熱室，15是控制室，16是微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管，17是隔 板，18是風(fēng)道，19是風(fēng)機(jī)葉片，20是循環(huán)風(fēng)門，21是循環(huán)風(fēng)道，22是換熱器，23是換 熱風(fēng)門，24是隔熱層，25內(nèi)襯層，27是外殼
具體實(shí)施例方式微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管的管壁由內(nèi)到外依次由內(nèi)絕緣層2、電加熱層3和外絕 緣層4、外殼5復(fù)合而成，復(fù)合管殼11的兩端由端蓋板6將儲能材料8、導(dǎo)熱籠7、導(dǎo)熱 片10封閉在管內(nèi)，導(dǎo)熱籠7制成三維結(jié)構(gòu)埋于儲能材料8中；導(dǎo)熱片10將裝有儲能材料 8和導(dǎo)熱籠7的復(fù)合管內(nèi)部分隔成多個儲能腔，電熱儲能復(fù)合管與電源之間采用星形接線 或三角形接線。微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管的工作原理是當(dāng)電熱材料層的電極端接通電源時， 電熱材料開始發(fā)熱將電能轉(zhuǎn)換成熱能，熱能通過微晶陶瓷材料層向復(fù)合管內(nèi)和復(fù)合管外 傳導(dǎo)，并給管內(nèi)的儲能材料加熱，傳導(dǎo)到復(fù)合管外部分熱能，給儲能室內(nèi)的傳導(dǎo)介質(zhì)加 熱，并經(jīng)傳導(dǎo)介質(zhì)將熱能再傳遞給儲能復(fù)合管。復(fù)合管內(nèi)的導(dǎo)熱籠可提高管內(nèi)儲能材料 受熱均勻性，加快熱能向儲能材料傳導(dǎo)的速度。儲能材料受熱后溫度開始升高，達(dá)到熔 點(diǎn)后開始相變過程，隨著儲能材料不斷被加熱、材料的溫度的不斷升高和相變過程的發(fā) 展，熱能被儲能材料吸收并被存儲在已經(jīng)升溫并發(fā)生相變的儲能材料中。當(dāng)需要復(fù)合管 釋放熱能時，電熱材料層的電極端與電源斷開，儲能材料中所存儲的熱能通過導(dǎo)熱籠和 各復(fù)合層傳遞給儲能室的熱能傳導(dǎo)介質(zhì)并不斷給傳導(dǎo)介質(zhì)加熱，傳導(dǎo)介質(zhì)不斷的將復(fù)合 管所存儲的熱能帶出。以利用裝置內(nèi)的空氣做為熱能傳導(dǎo)的介質(zhì)為例。整個裝置的儲能過程是控制室15接通電源后，控制主機(jī)開始工作并進(jìn)行個參 數(shù)的自動檢測，換熱風(fēng)門23關(guān)閉，循環(huán)風(fēng)門20打開，微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管16開始 加熱，傳感器同時檢測循環(huán)風(fēng)道上端和下端的溫度，當(dāng)溫度差大于設(shè)定值時，風(fēng)機(jī)開始 工作。當(dāng)控制主機(jī)通過傳感器和控制軟件判定儲能量已經(jīng)達(dá)到設(shè)定值時，微晶陶瓷電熱 儲能復(fù)合管16停止工作，隨后風(fēng)機(jī)停止工作。放熱過程循環(huán)風(fēng)門20關(guān)閉，換熱風(fēng)門23打開，風(fēng)機(jī)開始工作，在風(fēng)機(jī)的帶動 下，熱能由傳導(dǎo)介質(zhì)空氣傳遞給換熱器22，換熱器22將熱能輸出?？刂浦鳈C(jī)根據(jù)傳感器 檢測的參數(shù)和控制軟件，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)和換熱風(fēng)門23大小來控制裝置的輸出功率。 放熱時電熱儲能復(fù)合管16可以按設(shè)定的條件(如低谷時段內(nèi))，繼續(xù)加熱。當(dāng)個根據(jù)傳感器檢測的參數(shù)和設(shè)定條件控制主機(jī)判斷需要停止熱量輸出時，風(fēng)機(jī)減速工作，換熱風(fēng) 門23關(guān)閉，循環(huán)風(fēng)門20打開，控制主機(jī)按判斷判斷條件胖判斷電熱儲能復(fù)合管16和風(fēng) 機(jī)此時是否需要停止工作。
權(quán)利要求
1.微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管，其特征在于管壁由內(nèi)到外依次由內(nèi)絕緣層(2)、電加 熱層(3)和外絕緣層(4)、外殼(5)復(fù)合而成，內(nèi)絕緣層(2)和外絕緣保護(hù)層(4)用微晶 陶瓷材料制成，管殼(11)的兩端由端蓋板(6)將儲能材料(8)、導(dǎo)熱籠(7)、導(dǎo)熱片(10) 封閉在管內(nèi)，導(dǎo)熱籠(7)制成三維結(jié)構(gòu)埋于儲能材料(8)中；導(dǎo)熱片(10)將裝有儲能材 料(8)和導(dǎo)熱籠(7)的復(fù)合管內(nèi)部分隔成多個儲能腔，電熱儲能復(fù)合管與電源之間采用星 形接線或三角形接線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管，其特征在于微晶陶瓷電熱儲 能復(fù)合管設(shè)置內(nèi)襯層(1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管，其特征在于在相鄰兩個導(dǎo)熱 片之間裝有可形成較大孔隙率的絲狀填料(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管，其特征在于管上安裝有金屬 導(dǎo)電材料制成的固定卡扣(12)，與由微晶陶瓷材料制成的、內(nèi)埋有導(dǎo)電體的安裝支架相 連，安裝支架通過導(dǎo)電螺栓將電熱儲能復(fù)合管與電源導(dǎo)線連接起來，并通過安裝支架實(shí) 現(xiàn)電熱儲能復(fù)合管之間的串聯(lián)或并聯(lián)或串并聯(lián)的連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管，其特征在于電加熱層(3)采用 電熱板或電熱帶或電熱絲或采用電熱漿料或電熱涂料或組合使用上述材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管，其特征在于儲能材料是無機(jī) 材料或是金屬及其合金或是各種相變儲能復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明是一種微晶陶瓷電熱儲能復(fù)合管，它集加熱、儲能、放熱功能于一體；使用、維護(hù)和安裝都很方便。其管壁由內(nèi)到外依次由內(nèi)絕緣層、電加熱層和外絕緣層、外殼復(fù)合而成，內(nèi)絕緣層和外絕緣保護(hù)層用微晶陶瓷材料制成，管殼的兩端由端蓋板將儲能材料、導(dǎo)熱籠、導(dǎo)熱片封閉在管內(nèi)，導(dǎo)熱籠制成三維結(jié)構(gòu)埋于儲能材料中；導(dǎo)熱片將裝有儲能材料和導(dǎo)熱籠的復(fù)合管內(nèi)部分隔成多個儲能腔，電熱儲能復(fù)合管與電源之間采用星形接線或三角形接線。本發(fā)明適合各種儲能裝置使用，可以應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、民用等不同的領(lǐng)域中。
文檔編號F24H9/00GK102012103SQ201010523999
公開日2011年4月13日 申請日期2010年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月28日
發(fā)明者劉斌, 廖濱 申請人:遼寧鑫谷節(jié)能科技有限公司