热交换器件及其成型方法和热交换方法与流程

1.本发明涉及热交换技术领域，具体涉及一种热交换器件及其成型方法和热交换方法。


背景技术：

2.电厂水蒸气的储热换热，因此常见的在材料表面进行换热的镁砖及碳材料等固态储热材料就难以满足要求了，只能采用管道换热技术。现有管道储热换热能为混凝土材质，因其只能达到300℃，且储放热速度受到材料导热系数低的影响，难以承受300～550℃的水蒸气热源。
3.cn112111310a公开了一种储热炭材料用组合物和储热炭材料及其制备方法。这种储热碳材料拥有良好的热导率和低的热膨胀系数，既能满足快速储热，也能满足快速放热的要求。但因其只能采用400℃以上还不与碳材料发生反应的氮气作为换热介质，不能用于电厂300～550℃水蒸气直接作为换热介质的储热环境中。
4.cn204358275u公开了一种耐高温金属管道，金属管道内外壁分别套一层陶瓷，两种材质的热膨胀系数相差几倍，受热前后膨胀量不同，使用后会产生脱离，同时陶瓷的热导率偏低，只能实现非常慢速换热的功能，不具有储热和高速换热的功能。
5.cn101135543a公开了一种使用混凝土的高温储热器及其储热方法，带翅片的金属管道埋置于混凝土中，水从一端进入，水蒸气从另一端喷出。因两种材质的热膨胀系数相差几倍，两者在升温和降温时，因热膨胀量的不同会产生分离，传热效率大大降低，同时混凝土也难以完成快速储热、释热和换热的过程。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的热交换设备传热效果差的问题，本发明提供一种热交换器件，该热交换器件换热效果好且能够保持高换热效率工作。
7.为了实现上述目的，本发明提供一种热交换器件，该器件包括：储热层、换热层和设置于二者之间的缓冲层；
8.所述缓冲层用于抵抗换热过程中所述储热层和换热层之间产生的形变；
9.所述换热层内部存在空间用于存储换热介质。
10.优选地，所述换热层的热膨胀系数≥缓冲层的热膨胀系数≥储热层的膨胀系数。
11.优选地，所述换热层(2)的热导率≤缓冲层(3)的热导率≤储热层(1)的热导率。
12.优选地，所述缓冲层的热导率为5-300w/mk，更优选为50-100w/mk；热膨胀系数为1
×
10-6-20
×
10-6
，更优选为2
×
10-6-4
×
10-6
。
13.优选地，所述缓冲层的材料选自膨胀石墨纸、炭纤维毡、铜网和铜箔的一种或多种，优选为膨胀石墨纸。
14.优选地，所述缓冲层至少设置一层，更优选为1-20层，单层厚度为0.05-1mm。
15.优选地，所述储热层的热导率为2-300w/mk，优选为100-150w/mk；热膨胀系数为2
×
10-6-20
×
10-6
，优选为2
×
10-6-2.5
×
10-6
。
16.优选地，所述储热层的材料选自碳材料、氧化铝陶瓷中的一种或两种，优选为碳材料。
17.优选地，所述换热层的热导率为1-50w/mk，优选为25-50w/mk；热膨胀系数为5
×
10-6-50
×
10-6
，优选为10
×
10-6-15
×
10-6
。
18.优选地，所述换热层的材料包含不锈钢；更优选地，所述不锈钢的材质为304不锈钢、310s不锈钢、316l不锈钢和321不锈钢中的至少一种。
19.优选地，所述换热层为金属器皿，金属器皿内部能够流通换热介质，所述缓冲层包裹在所述金属器皿外壁，储热层铸压成型在包裹所述缓冲层的金属器皿上，优选所述金属器皿为金属管道。
20.本发明提供一种所述的热交换器件的成型方法，该方法包括：
21.1)将换热层材料用缓冲层材料包裹，形成包裹体；
22.2)将包裹体放置于铺垫有储热层材料的模具内，成型，得到一体化坯体；
23.3)将所述一体化坯体热处理得到热交换器件。
24.优选地，所述热处理包括第一焙烧和/或第二焙烧，其中，所述第一焙烧的条件包括：温度600-900℃，时间为4-24h；所述第二焙烧的条件包括：温度为850-950℃，时间为4-12h。
25.优选地，在进行所述第二焙烧前先对经过第一焙烧后得到的粗产品采用沥青浸渍，所述沥青浸渍的条件包括：温度为50-200℃，优选为100-200℃；压力为0.3-0.6mpa。
26.本发明提供一种热交换方法，该方法在所述的热交换器件中进行，该方法包括：
27.所述换热介质为高温换热介质时，所述换热介质在所述换热层内部空间流通，换热介质中夹带的热量依次经过换热层器壁、缓冲层和储热层，实现换热介质与储热层的间接换热，完成储热，储热结束后所述换热介质从换热层流出；或者
28.所述换热介质为低温换热介质时，所述换热介质在所述换热层内部空间流通，储热层存储的热量依次经过缓冲层和换热层器壁，实现储热层与换热介质的间接换热，完成放热，放热结束后所述换热介质从换热层流出。
29.其中，所述高温换热介质指：温度高于储热层的换热介质；所述低温换热介质指：温度低于储热层的换热介质。
30.采用本发明的技术方案，通过在热交换材料之间设置缓冲层，抵消或吸收了热交换材料由于膨胀系数不同，在升降温过程中产生的体积变化，解决了常见技术解决不了的热交换材料之间的界面分离的问题，使现有技术中的传热方式由传导传热和辐射传热共同结合传热转变为传导传热，保证和提高了热交换器件的热交换效率，同时，各层选用包括具有所述特性的材料，使储热器件既能承受高温热源，又能够把热量快速储存下来，用的时候再快速释放出来，进一步将热交换器件的换热层设计为金属管道应用于管道换热技术，采用储热层材料和金属类管道复合技术，不仅实现了器件的快速储放热，又能够将储热层材料与高温换热介质隔离开来，防止二者相互作用降低储放热、传热效果。
附图说明
31.图1为根据本发明一种优选实施方式提供的热交换器件的横剖面图；
32.图2为根据本发明一种优选实施方式提供的热交换器件的纵剖面图。
33.附图标记说明
34.1-储热层
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2-换热层
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3-缓冲层
具体实施方式
35.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施方式，并不用于限制本发明实施方式。
36.如图1所示，本发明提供一种热交换器件，该器件包括：储热层1、换热层2和设置于二者之间的缓冲层3；
37.所述缓冲层3用于抵抗换热过程中所述储热层1和换热层2之间产生的形变；
38.所述换热层2内部存在空间用于存储换热介质。
39.具体的，通过在热交换材料之间设置缓冲层，抵消或吸收了热交换材料由于膨胀系数不同，在升降温过程中体积变化产生的压应力，解决了常见技术解决不了的热交换材料之间的界面分离的问题，使现有技术中的传热方式由传导传热和辐射传热共同结合传热转变为传导传热，保证和提高了热交换器件的热交换效率。
40.根据本发明一种优选的实施方式，所述换热层2的热膨胀系数≥缓冲层3的热膨胀系数≥储热层1的膨胀系数。通过采用前述优选方案，能够进一步提高热交换器件的换热效果。
41.根据本发明一种优选的实施方式，所述换热层(2)的热导率≤缓冲层(3)的热导率≤储热层(1)的热导率。
42.根据本发明一种优选的实施方式，所述缓冲层3的热导率为5-300w/mk，优选为50-100w/mk；热膨胀系数为1
×
10-6-20
×
10-6
，优选为2
×
10-6-4
×
10-6
。通过采用前述优选方案，能够进一步提高热交换器件的换热效果。
43.本发明中，只要能够达到本发明的目的，所述缓冲层的材料可以是本领域的常规选择，根据本发明一种优选的实施方式，所述缓冲层3的材料选自膨胀石墨纸、炭纤维毡、铜网和铜箔的一种或多种，优选为膨胀石墨纸。通过采用前述技术方案，能够消除储热层和换热层之间因温度变化而引起的接触方式的变化，进一步提高热交换器件的换热效果。
44.根据本发明一种优选的实施方式，所述缓冲层3紧密贴合设置于储热层1、换热层2二者之间。
45.根据本发明一种优选的实施方式，所述缓冲层3至少设置一层，，优选为1-20层，单层厚度为0.05-1mm。通过采用前述技术方案，能够消除储热层和换热层之间因温度变化而引起的接触方式的变化，进一步提高热交换器件的换热效果。
46.根据本发明一种优选的实施方式，所述储热层1的热导率为2-300w/mk，优选为100-150w/mk；热膨胀系数为2
×
10-6-20
×
10-6
，优选为2
×
10-6-2.5
×
10-6
。通过采用前述优选方案，能够进一步提高热交换器件的换热效果。
47.本发明中，只要能够达到本发明的目的，所述储热层1的材料可以是本领域的常规选择，根据本发明一种优选的实施方式，所述储热层1的材料选自碳材料、氧化铝陶瓷中的一种或两种，优选为碳材料。通过采用前述技术方案，能够进一步提高热交换器件的换热效果。
48.本发明中，所述碳材料为石墨。
49.根据本发明一种优选的实施方式，所述换热层2的热导率为1-50w/mk，优选为25-50w/mk；热膨胀系数为5
×
10-6-50
×
10-6
，优选为10
×
10-6-15
×
10-6
。通过采用前述优选方案，能够进一步提高热交换器件的换热效果。
50.根据本发明，所述换热层2的材料包含不锈钢；优选地，所述不锈钢的材质为304不锈钢、310s不锈钢、316l不锈钢和321不锈钢中的至少一种。通过采用前述技术方案，能够进一步提高热交换器件的换热效果。
51.如图1或2所示，为本发明一种优选的实施方式，所述换热层2为金属器皿，金属器皿内部能够流通换热介质，所述缓冲层3包裹在所述金属器皿外壁，储热层1铸压成型在包裹所述缓冲层3的金属器皿上。
52.根据本发明，优选所述金属器皿为金属管道。通过采用前述技术方案，不仅实现了器件的快速储放热，又能够将储热层材料与高温换热介质隔离开来，防止二者相互作用降低储放热、传热效果。
53.本发明提供一种所述的热交换器件的成型方法，该方法包括：
54.1)将换热层材料用缓冲层材料包裹，形成包裹体；
55.2)将包裹体放置于铺垫有储热层材料的模具内，成型，得到一体化坯体；
56.3)将所述一体化坯体热处理得到热交换器件。
57.具体的，通过采用前述成型方法，能够将储热材料、缓冲层材料和传热层集成到一起形成一体化器件，提高热交换器件的换热效果。
58.本发明中，所述步骤3)中成型的方式可以是本领域的常规方式，根据本发明一种优选的实施方式，所述步骤2)中成型的方式为压力成型。
59.本发明中，只要能够达到本发明的目的，所述热处理的方式可以是本领域的常规选择，根据本发明一种优选的实施方式，所述热处理包括第一焙烧和/或第二焙烧，其中，所述第一焙烧的条件包括：温度600-900℃，时间为4-24h；所述第二焙烧的条件包括：温度为850-950℃，时间为4-12h。通过采用前述优选方案，能够进一步提高热交换器件的换热效果。
60.根据本发明一种优选的实施方式，在进行所述第二焙烧前先对经过第一焙烧后得到的粗产品采用沥青浸渍，所述沥青浸渍的条件包括：温度为50-200℃，优选为100-200℃；压力为0.3-0.6mpa。通过采用前述优选方案，能够进一步提高热交换器件的换热效果。
61.本发明提供一种热交换方法，该方法在所述的热交换器件中进行，该方法包括：
62.所述换热介质为高温换热介质时，所述换热介质在所述换热层2内部空间流通，换热介质中夹带的热量依次经过换热层2器壁、缓冲层3和储热层1，实现换热介质与储热层1的间接换热，完成储热，储热结束后所述换热介质从换热层2流出；或者
63.所述换热介质为低温换热介质时，所述换热介质在所述换热层2内部空间流通，储热层1存储的热量依次经过缓冲层3和换热层2器壁，实现储热层1与换热介质的间接换热，完成放热，放热结束后所述换热介质从换热层2流出。
64.具体的，通过采用本技术的热交换方法，解决了热交换材料之间因为热膨胀系数不同在升降温过程中会产生界面分离的问题，保证和提高了热交换器件的热交换效率。
65.以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
66.本发明中，热导率参数通过采用astm e1461方法测得；热膨胀系数测定采用gb/t 3074.4-2016方法测得；实施例中原料通过商购获得。
67.实施例1
68.1)将304不锈钢(热导率为25w/mk，热膨胀系数为15
×
10-6
)用厚度为0.1mm的膨胀石墨纸(热导率为50w/mk，热膨胀系数为3.5
×
10-6
)包裹10层，形成包裹体；
69.2)将包裹体放置于铺垫有石墨(热导率为100w/mk，热膨胀系数为2.2
×
10-6
)的模具内，进行压力成型，得到一体化坯体；
70.3)将所述的一体化坯体850℃焙烧8h后取出，在温度180℃，压力0.4mpa下沥青浸渍，再900℃焙烧6h，得到热交换器件；
71.将所得到的热交换器件用于储热-放热，测得初始换热效率为70％，能够保持换热效率在50％以上工作12h。
72.实施例2
73.1)将310s不锈钢(热导率为30w/mk，热膨胀系数为12
×
10-6
)用厚度为0.1mm的膨胀石墨纸(热导率为80w/mk，热膨胀系数为3.0
×
10-6
)包裹10层，形成包裹体；
74.2)将包裹体放置于铺垫有石墨(热导率为120w/mk，热膨胀系数为2.1
×
10-6
)的模具内，进行压力成型，得到一体化坯体；
75.3)将所述的一体化坯体850℃焙烧8h后取出，在温度180℃，压力0.4mpa下沥青浸渍，再900℃焙烧6h，得到热交换器件；
76.将所得到的热交换器件用于储热-放热，测得初始换热效率为66％，能够保持换热效率在50％以上工作10h。
77.实施例3
78.1)将316s不锈钢(热导率为50w/mk，热膨胀系数为10
×
10-6
)用厚度为0.1mm的膨胀石墨纸(热导率为95w/mk，热膨胀系数为2.5
×
10-6
)包裹10层，形成包裹体；
79.2)将包裹体放置于铺垫有石墨(热导率为150w/mk，热膨胀系数为2.05
×
10-6
)的模具内，进行压力成型，得到一体化坯体；
80.3)将所述的一体化坯体850℃焙烧8h后取出，在温度180℃，压力0.4mpa下沥青浸渍，再900℃焙烧6h，得到热交换器件；
81.将所得到的热交换器件用于储热-放热，测得初始换热效率为68％，能够保持换热效率在50％以上工作11h。
82.实施例4
83.1)将304不锈钢(热导率为25w/mk，热膨胀系数为15
×
10-6
)用厚度为0.1mm的膨胀石墨纸(热导率为100w/mk，热膨胀系数为2.0
×
10-6
)包裹10层，形成包裹体；
84.2)将包裹体放置于铺垫有石墨(热导率为100w/mk，热膨胀系数为2.2
×
10-6
)的模具内，进行压力成型，得到一体化坯体；
85.3)将所述的一体化坯体850℃焙烧8h后取出，在温度180℃，压力0.4mpa下沥青浸渍，再900℃焙烧6h，得到热交换器件；
86.将所得到的热交换器件用于储热-放热，测得初始换热效率为58％，能够保持换热效率在50％以上工作6h。
87.实施例5
88.1)将304不锈钢(热导率为25w/mk，热膨胀系数为15
×
10-6
)用厚度为0.1mm的膨胀石墨纸(热导率为50w/mk，热膨胀系数为3.5
×
10-6
)包裹10层，形成包裹体；
89.2)将包裹体放置于铺垫有石墨(热导率为100w/mk，热膨胀系数为2.2
×
10-6
)的模具内，进行压力成型，得到一体化坯体；
90.3)将所述的一体化坯体500℃焙烧8h后取出，在温度180℃，压力0.4mpa下沥青浸渍，再500℃焙烧6h，得到热交换器件；
91.将所得到的热交换器件用于储热-放热，测得初始换热效率为55％，能够保持换热效率在50％以上工作4h。
92.对比例1
93.1)用304不锈钢(热导率为25w/mk，热膨胀系数为15
×
10-6
)作为换热层；
94.2)将包裹体放置于铺垫有石墨(热导率为100w/mk，热膨胀系数为2.2
×
10-6
)的模具内，进行压力成型，得到一体化坯体；
95.3)将所述的一体化坯体850℃焙烧8h后取出，在温度180℃，压力0.4mpa下沥青浸渍，再900℃焙烧6h，得到热交换器件；
96.将所得到的热交换器件用于储热-放热，测得初始换热效率为30％。
97.本发明加入缓冲层之后，合理地解决了储热层与传热层在升降温过程中发生分离的问题，将传统的两层热辐射为主的传热方式改变为三层热传导的方式，显著提高了热交换器的换热效率、保证了持久高效换热。
98.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种热交换器件，其特征在于，该器件包括：储热层(1)、换热层(2)和设置于二者之间的缓冲层(3)；所述缓冲层(3)用于抵抗换热过程中所述储热层(1)和换热层(2)之间产生的形变；所述换热层(2)内部存在空间用于存储换热介质。2.根据权利要求1所述的热交换器件，其中，所述换热层(2)的热膨胀系数≥缓冲层(3)的热膨胀系数≥储热层(1)的热膨胀系数；和/或所述换热层(2)的热导率≤缓冲层(3)的热导率≤储热层(1)的热导率。3.根据权利要求1所述的热交换器件，其中，所述缓冲层(3)的热导率为5-300w/mk，优选为50-100w/mk；热膨胀系数为1
×
10-6-20
×
10-6
，优选为2
×
10-6-4
×
10-6
；优选地，所述缓冲层(3)的材料选自膨胀石墨纸、炭纤维毡、铜网和铜箔的一种或多种，优选为膨胀石墨纸。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的热交换器件，其中，所述缓冲层(3)至少设置一层，优选为1-20层，单层厚度为0.05-1mm。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的热交换器件，其中，所述储热层(1)的热导率为2-300w/mk，优选为100-150w/mk；热膨胀系数为2
×
10-6-20
×
10-6
，优选为2
×
10-6-2.5
×
10-6
；优选地，所述储热层(1)的材料选自碳材料、氧化铝陶瓷中的一种或两种；优选为碳材料。6.根据权利要求1-5中任意一项所述的热交换器件，其中，所述换热层(2)的热导率为1-50w/mk，优选为25-50w/mk；热膨胀系数为5
×
10-6-50
×
10-6
，优选为10
×
10-6-15
×
10-6
；优选地，所述换热层(2)的材料包含不锈钢，优选地，所述不锈钢的材质为304不锈钢、310s不锈钢、316l不锈钢和321不锈钢中的至少一种。7.根据权利要求1-6中任意一项所述的热交换器件，其中，所述换热层(2)为金属器皿，金属器皿内部能够流通换热介质，所述缓冲层包裹在所述金属器皿外壁，储热层铸压成型在包裹所述缓冲层的金属器皿上，优选所述金属器皿为金属管道。8.权利要求1-7中任意一项所述的热交换器件的成型方法，其特征在于，该方法包括：1)将换热层材料用缓冲层材料包裹，形成包裹体；2)将包裹体放置于铺垫有储热层材料的模具内，成型，得到一体化坯体；3)将所述一体化坯体热处理得到热交换器件。9.根据权利要求8所述的成型方法，其中，所述热处理包括第一焙烧和/或第二焙烧；其中，所述第一焙烧的条件包括：温度600-900℃，时间为4-24h；所述第二焙烧的条件包括：温度为850-950℃，时间为4-12h；优选地，在进行所述第二焙烧前先对经过第一焙烧后得到的粗产品采用沥青浸渍，所述沥青浸渍的条件包括：温度为50-200℃，优选为100-200℃；压力为0.3-0.6mpa。10.一种热交换方法，其特征在于，该方法在权利要求1-7中任意一项所述的热交换器件中进行，该方法包括：所述换热介质为高温换热介质时，所述换热介质在所述换热层(2)内部空间流通，换热
介质中夹带的热量依次经过换热层(2)器壁、缓冲层(3)和储热层(1)，实现换热介质与储热层(1)的间接换热，完成储热，储热结束后所述换热介质从换热层(2)流出；或者所述换热介质为低温换热介质时，所述换热介质在所述换热层(2)内部空间流通，储热层(1)存储的热量依次经过缓冲层(3)和换热层(2)器壁，实现储热层(1)与换热介质的间接换热，完成放热，放热结束后所述换热介质从换热层(2)流出。

技术总结
本发明涉及热交换技术领域，具体涉及一种热交换器件及其成型方法和热交换方法。该器件包括：储热层(1)、换热层(2)和设置于二者之间的缓冲层(3)；所述缓冲层(3)用于抵抗换热过程中所述储热层(1)和换热层(2)之间产生的形变；所述换热层(2)内部存在空间用于存储换热介质。该热交换器件换热效果好且能够保持高换热效率工作。效率工作。效率工作。


技术研发人员：高光辉 梁文斌 刘均庆
受保护的技术使用者：北京低碳清洁能源研究院
技术研发日：2022.03.25
技术公布日：2023/10/6