一种旋转式强化换热相变蓄热装置 |
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| 申请号 | CN202210724143.1 | 申请日 | 2022-06-23 | 公开(公告)号 | CN115164630A | 公开(公告)日 | 2022-10-11 |
| 申请人 | 同济大学; 上海东润换热设备股份有限公司; | 发明人 | 郑钦月; 赵兰萍; 杨志刚; 茅文焯; 胡赟星; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种旋转式强化换热 相变 蓄热装置，包括蓄热壳体、旋转装置、相变蓄热单元和换热流道，蓄热壳体包括蓄热 外壳 ，蓄热外壳上设有换热介质入口和换热介质出口，旋转装置包括第一转盘、第二转盘和 转轴 ，相变蓄热单元包括蓄 热管 和 相变材料 组件，蓄热管包括蓄热管内筒、蓄热管外筒和蓄热管管壁，换热流道包括第一 流体 通道和第二流体通道。与 现有技术 相比，本发明具有换热效率高、换热均匀性好、 流动阻 力 小、相变蓄热装置压降小、装置简单、应用广泛等优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种旋转式强化换热相变蓄热装置，其特征在于，包括蓄热壳体、旋转装置、相变蓄热单元和换热流道，所述蓄热壳体包括蓄热外壳(1)，所述蓄热外壳(1)上设有换热介质入口(5)和换热介质出口(8)，所述旋转装置包括第一转盘(3)、第二转盘(7)和转轴(6)，所述相变蓄热单元包括蓄热管和相变材料组件(9)，所述蓄热管包括蓄热管内筒(2)、蓄热管外筒(4)和蓄热管管壁(12)，所述换热流道包括第一流体通道(10)和第二流体通道(11)。 |
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| 说明书全文 | 一种旋转式强化换热相变蓄热装置技术领域[0001] 本发明涉及储热技术领域，尤其是涉及一种旋转式强化换热相变蓄热装置。 背景技术[0002] 低成本、稳定、可靠的可再生能源技术是未来中国实现“碳达峰”和“碳中和”两大目标的关键。但是，太阳能、风能等可再生能源普遍存在波动性和间歇性的特点，从而造成可再生能源的供给与需求在时间、空间和强度上不匹配的矛盾。为了保证可再生能源系统运行的灵活性和稳定性、提高能源利用率，需要统筹考虑储电、储热、储冷等多种储能技术。在储能技术中，储热技术以热能的形式储存能量，截止至2020年11月，全球的储热系统规模大约为234GWh，到2030年全球储热市场的规模预计会增加2倍，具有较大推广潜力。另外，全球90％以上的能量最终以热能的形式被利用，因此储热技术还具有更广阔的应用空间。储热技术根据热量储存的形式可以分为显热储热、潜热储热、热化学储热。潜热储热，又称相变蓄热，是利用相变材料在相变过程中吸收和释放相变潜热的特性来储存和释放热能的方法。相较于显热储热和热化学储热，相变蓄热具有储能密度高、恒温蓄放热、温度控制方便、使用范围广等优势。因此，相变蓄热技术在余热回收利用、太阳能供暖、电池热管理系统、绿色建筑、太阳能热电站等领域具有广泛应用和发展前景，而开发高效换热的相变蓄热装置结构及高性能的相变材料对应用相变蓄热技术起决定性作用。 [0003] 相变蓄热装置由多个相变蓄热单元和换热流道构成，换热介质在流道内流动，通过换热壁面与相变蓄热单元里的相变材料进行换热，从而实现热量的储存与释放。 [0004] 对于相变蓄热单元，其形状多种多样，包括矩形、球形、圆柱形、环形等。不同形状相变蓄热装置的蓄放热特性有较大差异，选择合适形状的相变蓄热单元对设计高效的相变蓄热系统至关重要。相关学者研究了具有相同体积和换热面积的矩形、圆柱形和同心套管的相变蓄热装置熔化特性，对比了平均对流换热系数、熔化时间等性能参数，研究表明在储存相同热量的情况下，同心套管式所需时间最少，而且随着相变材料装填量的增加，这种优势越明显。因此，由于换热效率高、结构紧凑，相较于其他几种形状，套管式相变蓄热装置具有更广阔的应用前景。 [0005] 对于换热流道，其结构是相变储能技术的骨架。为了提高换热效果，目前绝大多数工作考虑的是增大换热面积，增加相变蓄热装置换热均匀性，通过增加翅片、采用波纹板或多孔结构等方法。但是，增大换热面积会导致增加相变蓄热容器复杂性、提高制作成本，进一步地，会降低相变材料的装填量。另外，传统相变蓄热器的主要换热部件是静止不动的，为了增大总换热系数，往往通过增大换热介质流速来提高雷诺数，从而提高换热效果。但是，由于阻力与流速是二次方关系，增大换热介质流速的同时，压降也增大了，因此只能在流速与压降之间寻求平衡。另外，换热介质沿流程流动过程中，由于换热介质与相变材料的换热温差越来越小，容易造成蓄热器出口附近的相变蓄热单元不能进行有效蓄放热，相变材料在换热过程中不能完全熔化与凝固，由此产生的温度与热应力分布不均匀，进一步地，会造成相变材料和蓄热装置材料的寿命下降。因此，优化相变蓄热装置结构是必要的。 发明内容[0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的温度与热应力分布不均匀造成相变材料和蓄热装置材料寿命下降的缺陷，增大换热介质流速造成压降增大和耗能增大的缺陷，以及增大相变蓄热装置换热面积造成增加装置复杂度、提高制作成本和降低相变材料装填量的缺陷，而提供一种旋转式强化换热相变蓄热装置。 [0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： [0008] 一种旋转式强化换热相变蓄热装置，包括蓄热壳体、旋转装置、相变蓄热单元和换热流道，所述蓄热壳体包括蓄热外壳，所述蓄热外壳上设有换热介质入口和换热介质出口，所述旋转装置包括第一转盘、第二转盘和转轴，所述相变蓄热单元包括蓄热管和相变材料组件，所述蓄热管包括蓄热管内筒、蓄热管外筒和蓄热管管壁，所述换热流道包括第一流体通道和第二流体通道。 [0010] 所述蓄热外壳的两端中心位置分别设有固定孔，所述转轴设于固定孔中，分别与第一转盘和第二转盘连接。 [0011] 进一步地，所述转轴可连接外部动力装置，或在有外部动力环境的前提下，比如振动等环境，可不连接外部动力装置。 [0012] 所述第一转盘和第二转盘均设有多个圆槽，所述圆槽采用圆周阵列的方式排布，所述第一转盘和第二转盘的圆槽一一对应。 [0013] 进一步地，所述第一转盘和第二转盘的圆槽中心设有通孔，所述通孔的孔径为蓄热管内筒的筒径。 [0014] 进一步地，所述第一转盘和第二转盘的圆槽上均设有多根蓄热管，所述蓄热管采用圆周阵列的方式排布，所述蓄热管的类型包括圆管、椭圆管、方形管、直管和变径管。 [0015] 所述蓄热管采用金属或非金属材料。 [0016] 所述相变蓄热单元采用套管式结构，所述相变材料组件设于蓄热管内筒和蓄热管外筒之间。 [0017] 进一步地，所述蓄热管内筒和蓄热管外筒之间还设有蓄热管翅片，所述蓄热管翅片的类型包括环形翅片、纵向翅片和螺旋翅片。 [0018] 进一步地，所述相变材料组件的材质包括无机类相变材料、有机类相变材料、共晶类相变材料或经过改性的复合相变材料。 [0019] 所述蓄热管外筒及蓄热壳体之间形成第一流体通道，各个蓄热管内筒之间形成第二流体通道。 [0020] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： [0021] 1.本发明换热效率高。一方面，在相变蓄热装置实际工作中，通过旋转装置的设置，可以转动相变蓄热单元，增加了相变蓄热装置内部换热介质的动能，换热介质不断冲击换热面，增强了相变蓄热装置内部对流换热系数。另一方面，相变蓄热单元采用套管式的结构，结合第一流体通道和第二流体通道，增大了相变蓄热装置内部换热介质与相变蓄热单元的接触面积，且可以有效减缓热堆积现象，明显缩短相变蓄热单元蓄放热时间。 [0022] 2.本发明换热均匀性好。由于采用旋转式装置和套管式相变蓄热单元起到的双重作用，相变蓄热装置的换热均匀性得到进一步提升，可以减少甚至避免相变材料局部无法熔化及相变蓄热装置局部热应力过高的现象。 [0023] 3.本发明流动阻力小、相变蓄热装置压降小，相较于传统相变蓄热装置，达到相同换热效果的耗能更小。由于本发明不是通过提高换热介质流速来增大换热系数，换热介质可以低速进入流体通道，这将大大降低流动阻力，同时输送换热介质所需动力也将减小。 [0025] 图1为本发明相变蓄热装置的结构示意图； [0026] 图2为本发明相变蓄热装置实施例一的主视图； [0027] 图3为本发明相变蓄热装置实施例一的A‑A剖面图； [0028] 图4为本发明相变蓄热装置实施例一的B‑B剖面图； [0029] 图5为本发明相变蓄热装置实施例一的内部结构示意图； [0030] 图6为本发明相变蓄热装置实施例一内部结构的主视图； [0031] 图7为本发明相变蓄热装置实施例一内部结构的C‑C剖面图； [0032] 图8为本发明相变蓄热装置实施例一内部结构的D‑D剖面图； [0033] 图9为本发明相变蓄热装置实施例一蓄热管的结构示意图； [0034] 图10为本发明相变蓄热装置实施例一蓄热管的主视图； [0035] 图11为本发明相变蓄热装置实施例一蓄热管的E‑E剖面图； [0036] 图12为本发明相变蓄热装置实施例一蓄热管的F‑F剖面图； [0037] 图13为本发明相变蓄热装置实施例三蓄热管的F‑F剖面图； [0038] 图14为本发明相变蓄热装置实施例二的结构示意图； [0039] 图15为本发明相变蓄热装置实施例二的主视图； [0040] 图16为本发明相变蓄热装置实施例二的G‑G剖面图； [0041] 图17为本发明相变蓄热装置实施例二的H‑H剖面图。 [0042] 附图标记： [0043] 1‑蓄热外壳；2‑蓄热管内筒；3‑第一转盘；4‑蓄热管外筒；5‑换热介质入口；6‑转轴；7‑第二转盘；8‑换热介质出口；9‑相变材料组件；10‑第一流体通道；11‑第二流体通道；12‑蓄热管管壁；13‑蓄热管翅片；14‑可拆卸盖板；15‑紧固件； 具体实施方式[0044] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 [0045] 如图1所示，一种旋转式强化换热相变蓄热装置，包括蓄热壳体、旋转装置、相变蓄热单元和换热流道，蓄热壳体包括蓄热外壳1，蓄热外壳1上设有换热介质入口5和换热介质出口8，旋转装置包括第一转盘3、第二转盘7和转轴6，相变蓄热单元包括蓄热管和相变材料组件9，蓄热管包括蓄热管内筒2、蓄热管外筒4和蓄热管管壁12，换热流道包括第一流体通道10和第二流体通道11。 [0046] 换热介质入口5和换热介质出口8分别位于蓄热外壳1的两端，蓄热壳体采用不可拆卸结构或可拆卸结构，可拆卸结构包括可拆卸盖板14和紧固件15。 [0047] 蓄热外壳1的两端中心位置分别设有固定孔，转轴6设于固定孔中，分别与第一转盘3和第二转盘7连接。 [0048] 转轴6可连接外部动力装置，或在有外部动力环境的前提下，比如振动等环境，可不连接外部动力装置。 [0049] 第一转盘3和第二转盘7均设有多个圆槽，圆槽采用圆周阵列的方式排布，第一转盘3和第二转盘7的圆槽一一对应。 [0050] 第一转盘3和第二转盘7的圆槽中心设有通孔，通孔的孔径为蓄热管内筒2的筒径。 [0051] 第一转盘3和第二转盘7的圆槽上均设有多根蓄热管，蓄热管采用圆周阵列的方式排布，蓄热管的类型包括圆管、椭圆管、方形管、直管和变径管。 [0052] 蓄热管采用金属或非金属材料。 [0053] 相变蓄热单元采用套管式结构，相变材料组件9设于蓄热管内筒2和蓄热管外筒4之间。 [0054] 蓄热管内筒2和蓄热管外筒4之间还设有蓄热管翅片13，蓄热管翅片13的类型包括环形翅片、纵向翅片和螺旋翅片。 [0055] 相变材料组件9的材质包括无机类相变材料、有机类相变材料、共晶类相变材料或经过改性的复合相变材料。 [0056] 蓄热管外筒4及蓄热壳体之间形成第一流体通道10，各个蓄热管内筒2之间形成第二流体通道11。 [0057] 实施例一 [0058] 本实施例为不可拆卸式的旋转式强化换热相变蓄热装置。图1～图12为本发明实施例一的示意图，其中，图1是实施例一整体结构示意图，图2是实施例一主视图，图3是实施例一的A‑A剖面图，图4是实施例一的B‑B剖面图，图5是内部结构示意图，图6是内部结构主视图，图7是内部结构的C‑C剖面图，图8是内部结构的D‑D剖面图，图9是蓄热管结构示意图，图10是蓄热管主视图，图11是蓄热管的E‑E剖面图，图12是蓄热管的F‑F剖面图。 [0059] 具体实施时，对于换热部件，首先通过外部动力驱动转轴6，接着通过转轴6带动第一转盘3和第二转盘7，然后通过第一转盘3和第二转盘7带动相变蓄热单元进行旋转运动。对于换热介质，首先通过蓄热壳体的换热介质入口5进入到第一流体通道10中。接着，经过第一转盘3上的通孔进入到第二流体通道11，流量分配到每个相变蓄热单元。进入第二流体通道11的换热介质再经过第二转盘7上的通孔重新回到第一流体通道10。最后，通过蓄热壳体的换热介质出口8流出相变蓄热装置，完成一个换热过程。对于相变蓄热单元，熔化蓄热过程，高温换热介质通过蓄热管管壁12与蓄热管内固态的相变材料组件9进行换热，固态的相变材料组件9吸收足够热量后开始熔化，并最终全部变为液态，完成整个蓄热过程。凝固放热过程，低温换热介质通过蓄热管管壁12与蓄热管内液态的相变材料组件9进行换热，随着换热的进行，液态的相变材料组件9的温度逐渐下降，当液态的相变材料组件9的温度降低至其相变凝固点时，其形态将发生变化，又从液态转变为固态，完成整个放热过程。如此往复熔化/凝固循环，便可实现热量的储存与释放。 [0060] 实施例二 [0061] 本实施例为可拆卸式的旋转式强化换热相变蓄热装置。图14～图17为本发明实施例二的示意图，其中，图14是实施例二的结构示意图，图15是实施例二的主视图，图16是实施例二的G‑G剖面图，图17是实施例二的H‑H剖面图。本实施例的具体实施过程与实施例一相同，区别在于本实施例的蓄热壳体除了蓄热外壳1、换热介质入口5、换热介质出口8以外，还包括可拆卸盖板14、紧固件15，具备可拆卸功能。 [0062] 实施例三 [0063] 本实施例为相变材料侧强化换热的旋转式强化换热相变蓄热装置。图13为本发明实施例三的F‑F剖面图。本实施例的具体实施过程与实施例一相同，区别在于本实施例相变蓄热单元中相变材料侧添加了蓄热管翅片13，达到相变材料侧强化换热的目的。另外，还可以在相变材料组件9中添加导热性能优良的材料，比如泡沫金属、纳米材料、膨胀石墨等。 [0064] 实施例四 [0065] 本实施例为蓄热管变径的旋转式强化换热相变蓄热装置。本实施例的具体实施过程与实施例一相同，区别在于本实施例相变蓄热单元中的蓄热管设置为变径的形式，能够进一步提高换热效果。 [0066] 实施例五 [0067] 本实施例为微通道的旋转式强化换热相变蓄热装置。本实施例的具体实施过程与具体实施例一相同，区别在于本实施例的第二流体通道11设置成微通道的形式，能够进一步提高换热效果。 |
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