CN101464108A - 波纹状相变蓄热元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集相变蓄热、强制换热于一体并可通过导热介质和容器组合成多种功能和用途的蓄热产品或系统的模块化蓄热单元。它呈波纹状圆柱体，是用公称直径为25MM－120MM，壁厚为0.3MM－2MM的金属波纹管做容器和换热体，圆柱体内部充填一定蓄热能力的相变蓄热材料后两端密封制成的蓄热元件。将N支蓄热元件水平摆放在不同形状的容器中并向容器中充填足够的导热介质即制成蓄热装置，通过外界热源加热导热介质将热能传递给蓄热元件，蓄热元件通过高效换热波纹管将相变蓄热材料加热熔化储存热能；放热时，蓄热材料所储存的热能通过波纹管传递给导热介质，再通过导热介质对外提供热能，实现蓄热、供热功能。

Description

波纹状相变蓄热元件
所属技术领域：
本发明涉及一种模块化的波纹状相变蓄热元件，尤其是涉及利用该蓄热元件与导热介质组合成具有蓄能供热功能的蓄热装置和蓄能供热系统。
背景技术：
目前，蓄热技术是电网削峰填谷、热网削峰填谷、燃气管网峰谷平衡、余热回收利用、太阳能利用等的关键技术。公知的蓄能系统一般用水做蓄热、传热介质，由热源设备，蓄能装置、换热器、循环泵、管道、阀门、末端设备等部分组成。其工作流程如下；蓄能时，热源设备产生的能量通过加热介质水将热能存储到蓄能装置中；放热时，存储能量的介质水通过换热器实现能量交换时放出去。但是，由于水的熔点为0℃，沸点100℃，常压下只能用其显热进行蓄热，作为常压蓄热材料时其显热蓄热密度只有1Kcal/L，致使蓄热装置体积较大，整个蓄热系统造价大。急需一些新型蓄热材料和蓄热装置，本发明提供了一种新型蓄热元件和利用该元件制成的多种蓄热装置和蓄能供热系统。
本发明的目的：
为克服现有蓄能设备及其蓄能系统的种种不足，本发明提供一种相变蓄热模棒，该发明不仅涉及一种特殊的相变蓄热材料；而且涉及一种具有较高换热能力的模棒。由此制造成的该发明不仅具有蓄能功能，而且具有很强的换热能力，还能够通过组合形成简单灵活、紧凑可靠的模块化集成系统；从根本上解决了由常规设备组成的蓄能系统所需设备庞杂、系统复杂、占地空间大、管道热损失大、初投资高、推广难度较大等问题和缺点。
本发明所采取的技术方案：
采用波纹管壳体以增加传热面积和换热能力；蓄热过程，外部介质的热量通过金属波纹管外壳从外向内传递，融化从外向内进行，由于采用了波纹管结构加速形成内部对流传热使得融化速度较快；放热过程，由于采用了波纹管结构加速了波谷部分介质流道形成，加速对流传热，使得靠近外壳的波峰和波谷部分先向外部导热介质放热后凝固并逐近向内进行，但由于材料凝固后导热性能降低，内部向外传热量逐渐减少，凝固速度减缓，因此放热过程的速度比蓄热过程的速度低，以满足蓄热快放热慢的实际需要。
本发明的工作原理和工作流程是：
1.蓄热过程：介质水经热源加热后其温度高于相变材料的相变温度并流经该发明的蓄热元件时，其所携带的热量经波纹状管壁均匀传递到相变材料中，相变材料获得足够的能量后，逐渐发生晶格变化——融化，相变结束时潜热蓄能完成。
2.释热过程：热源加热停止，介质水温度低于相变温度时，该发明中相变材料所储存的热量通过波纹状管壳传递到介质水，相变材料逐渐发生晶格变化——凝固，释放所存的潜能后，相变材料的温度开始下降并释放显能，达到规定的温度时，释热过程结束。
本发明的有益效果是：
可以通过波纹管状外壳和周围介质的传热完成相变材料的热能储蓄和释能两种功能，结构简单，换热效率和传热强度高于光管5倍以上。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的纵剖面构造图。
图1中：1.波纹管状外壳，2.相变蓄热材料，3.端部封堵片。
图2是用本发明制成的电加热相变蓄能供热装置实施例的工作原理图。
在图2所示实施例中：1.蓄热水箱；2.换热盘管；3.保温层；4.液位计；5.导热介质；6.换热器进口；7.箱体温度计；8.换热器出口；9.电加热元件；10.支撑架；11.波纹状相变蓄热元件。
图2所示相变蓄热装置可实现边蓄边供、全蓄、全蓄能供热等几种运行模式，工作原理：
1.边蓄边供，是用电加热元件(9)直接给水箱(1)的导热介质(5)进行加热，波纹状相变蓄热元件(11)通过导热介质(5)吸收并储存热能，同时换热盘管(2)内有外部系统的液态介质从换热器进口(6)循环流入，与导热介质(5)换热后从换热器出口流出完成对外供热。
2.全蓄，当换热盘管(2)内没有外部系统的液态介质从换热器进出口(6)循环流入流出，用电加热元件(9)直接给水箱(1)的导热介质(5)进行加热，导热介质(5)温度达到80℃以上时波纹状相变蓄热元件(11)内的稀土相变蓄热材料开始融化并吸收和储存热能，稀土相变蓄热材料全部从固态变为液态后相变蓄热过程完成。此模式只蓄热不对外供热。
3.全蓄能供热，是电加热元件(9)停止加热，波纹状相变蓄热元件(11)通过导热介质(5)释放热能，同时换热盘管(2)内有外部系统的液态介质从换热器进口(6)循环流入，与导热介质(5)换热后从换热器出口流出完成对外连续供热。
由此可见，本发明应用于以电能为热源和以热泵压缩机组为热源的供热系统中，可实现低谷蓄热，削峰填谷，平衡电网并提高电网的负荷率等效用，同时由于低谷时段的电价较低，也降低了运行费用。利用本发明组成的蓄能供热系统较图3所示常规电蓄能供热系统的安全性和经济性都有很大提高。
图3是目前常规电加热蓄能供暖统的工作原理简图。
图3中：。1.电热锅炉，2.蓄热罐，3.锅炉加热循环泵，4.热交换器，5.用户末端，6.蓄热罐放热控制阀，7.蓄热控制阀，8.供暖系统循环泵，9.蓄热罐供热循环泵，10.阀门，11.阀门，12.阀门。
工作流程：用电低谷时段进行蓄热时，电热锅炉(1)、蓄热罐(2)、锅炉加热循环泵(3)工作，蓄热控制阀(7)、阀门(11)打开，蓄热罐放热控制阀(6)关闭，将热量存蓄到蓄热罐(2)。用电平、峰时段进行供热时，蓄热罐(2)、蓄热罐供热循环泵(9)、热交换器(4)、供暖系统循环泵8等工作，蓄热罐放热控制阀(6)、阀门(12)打开，将热量送到用户末端(5)，完成供暖。
利用本发明可以制造性能优异的电蓄热供水装置，图4是用本发明制成的蓄能式电热供水装置实施例的结构原理图。
图4中：1.外壳，2.保温层，3.换热盘管，4.蓄热壳体，5.蓄热腔加强筋，6.相变蓄热元件，7.加热套管，8.导热介质，9.温度传感器，10.电加热管，11.底部金属支撑，12.自来水进口，13.热水出口，14.供水温度调节阀，15.温度时间控制器。
本实施例所采用的技术方式是：长方形外壳(1)与蓄热体壳体(4)通过底部金属支撑(11)和蓄热腔加强筋(5)组合在一起，在二者之间填充保温层(2)；在蓄热壳体内，呈n列m行并行地布置着若干根蓄热元件，上方蓄热元件与壳体间分布有换热盘管(3)，盘管的两端一个做自来水进口，另一个做热水出口，蓄热腔内充满导热介质(8)，进出口之间并联有供水温度调节阀，加热套管(7)的两端穿过并固定在相变蓄热腔体(4)的左右两侧板上，形成的空腔为蓄热腔，该腔内充满熔点为60—85℃、融解热为50—75kcal/kg的相变蓄热材料(6)，其中心部位设置温度传感器(9)；电加热管(10)穿在加热套管(7)内，通过导线与时间温度控制器(15)电连接；蓄热体壳体(4)的底部固定支撑架(11).
本实施例的工作原理和工作流程是：
蓄热过程：在用电低谷时段，时间温度控制器(15)控制电加热管(10)通过加热套管(7)加热导热介质(8)，再通过液态的导热介质(8)扩散传递给相变蓄热元件(6)中的蓄热材料，(6)中蓄热材料的温度逐渐升高，在未达到相变温度-熔点以前存储显热，蓄热材料获得足够的热量后，逐渐发生晶格变化——相变潜热，相变结束并达到设定温度时蓄热过程完成。
释热供水过程：电加热管(10)停止加热，其蓄热元件(6)中所储存的热量通过导热介质(8)和换热盘管(3)传递到水中，将水加热至50-80℃，使用时通过调节供水温度调节阀(14)与自来水混合之所需供水温度，相变蓄热材料(6)逐渐发生晶格变化——凝固，释放所存的潜热后，其温度开始下降并释放显热，达到规定的温度时，释热过程结束。
本发明的该项实施例的有益效果是：可以通过电加热管、加热套管和、导热介质、换热盘管的传热完成波纹状相变蓄热元件的蓄热、释热供水两种功能，使该电热供水装置的结构紧凑，安全稳定可靠，其设计使用寿命为20年以上，具有目前常规容积式电热水器和即热式电热水器无法比拟的以下多项性能优点.
1、采用高效盘管换热供水，无内胆、不结垢，无干烧。
2、结构上加热部件与水完全充分的隔离，不结垢、不漏电，使用寿命长。
3、夜间蓄能加热与放热供水自动分时，更加安全可靠。
4、连续式蓄能加热比常规瞬时加热降低了加热功率，供水量为300L时其加热功率仅2kw.。
5、采用蓄能和盘管换热，集中供水能力大，水温均匀稳定，真正做到了“小功率大容量”.
6、采用特制的高效相变蓄能材料蓄热与介质换热技术，其体积比同等供水能力容积式电热水器小数倍，不但降低了包装和运输成本，而且为用户节约了安装空间，增加卖点和竞争优势。
7、由于供水采用了盘管换热结构，借自来水的压力供水，可落地安装，不需高位安装，安装调试简便，减少了售后服务的安装费用。
8、生产制造成本比同效力的常规容积式电热水器略低。
10“低谷电”加热，具有“移峰填谷，调荷节电”功能，不但能降低运行费用，而且符合当前电力推广政策。
本发明的该项实施例采用新的设计理念和蓄能技术彻底解决了目前国际国内各种品牌电热水器的以下几大难题：
a.电热管结垢
b.内胆结垢
c.保证绝对安全：不过压、不干烧、不漏电。
d.体积大，供水能力不足。
利用本发明还可以制造性能优异的太阳能蓄热供水装置，图5是用本发明制成的太阳能蓄热供水装置实施例的结构原理图。
图5中：1.中空保温腔，2.透明钢化白玻璃，3.蓄热腔上顶部外壳，4.换热盘管，5.蓄热腔后壳体，6.双层中空保温阳光板，7.蓄热腔壳体防辐射涂层，8.导热介质，9.波纹状相变蓄热元件，10.电磁加热板，11.底座，12.蓄热元件支架，13.排污口兼补充导热介质口，14.冷水进口供水，15.供热水出口，16.通大气口，17.镀太阳能集热膜的蓄热腔前壳体兼集热基板，18.太阳能集热选择性涂层。
本实施例所采用的技术方案是：用钢化玻璃或钢板做前面集热板的基板(17)，在其迎光面上真空涂镀一层集热膜和一层选择性涂层(18)，集热板(17)与透明钢化百玻璃(2)之间距离8—10MM形成中空保温腔；在蓄热腔内从下到上部2/3处平行摆放波纹状相变蓄热元件(9)，蓄热腔的上部1/3处安放波纹转换热盘管(4)，换热盘管(4)的两端通过冷水进口(14)和热水出口(15)与外部供水系统相连；蓄热腔的后腔体(5)使用钢化玻璃或钢板制成，外面层真空涂镀反射涂层(7)用以防止红外热辐射散热，蓄热腔的后腔体(5)与双层中空保温阳光板(6)之间距离8—10MM形成中空保温腔；蓄热腔内充满导热介质(8)，用于热交换，蓄热腔的下部底板上设有电磁加热板(10)，用于阳光不充足时进行辅助电加热；蓄热腔的底部设排污口兼补液口(13)，上顶部设通气孔，保证蓄热腔常压.
本实施例的工作原理和工作流程是：
一、蓄热过程：
1.太阳能蓄热：太阳光透过透明钢化白玻璃(6)和中空保温腔(1)直接照射在集热板(18、19)上将光能转化为热能传导给导热介质(8)，进入蓄热腔，随着吸收太阳能的增多，导热介质(8)温度逐渐上升并加热波纹状相变蓄热元件(9)，随之蓄热元件(9)的温度随之上升，开始存贮显热，当温度达到80℃时，蓄热元件(9)中的相变蓄热材料开始融化并储存大量潜热，温度达到85℃时，即完成蓄热。
2.太阳光不充足的情况下，蓄热量不足，可用电磁加热板(10)进行低谷电补充加热和蓄热，以满足使用要求。
二、释热供水过程：蓄热元件(9)中所储存的热量通过导热介质(8)和换热盘管(4)传递到水中，将水加热至50-80℃，使用时通过调节供水温度调节阀与自来水混合之所需供水温度，波纹状相变蓄热元件(9)内相变蓄热材料逐渐发生晶格变化——凝固，释放所存的潜热后，其温度开始下降并释放显热，达到规定的温度时，释热过程结束。
本实施例的有益效果是，可以通过中空保温腔、太阳能集热板、导热介质、换热盘管的传热完成太阳能到热能的转化以及蓄热元件的蓄热、释热，太阳能的有效集热率高于其他形式的集热板和集热管，便于安装、方便使用、结构紧凑，安全可靠。
利用本发明还可以制造性能优异的余热回收与热能储存装置，图6是用本发明制成的发动机尾气余热回收及蓄能供热装置实施例的结构原理图。
图6中：1.底座，2.外壳，3.保温层，4.蓄热内箱体，5.波纹状相变蓄热元件，6.导热介质，7.换热盘管，8.通气孔，9.液位传感器，10.被加热液体进口，11.箱体温度计，12.被加热液体出口，13.尾气进口法兰，14.尾气进口，15.支架，16.排污口，17.烟气换热器。
本实施例的工作原理和工作流程是：
一、余热回收与蓄热过程：
尾气余热回收和蓄热，尾气、烟气从尾气进口(14)进入烟气换热器(17)后，经过换热将热能传导给导热介质(6)，导热介质获得热能后温度逐渐升高并加热波纹状相变蓄热元件(5)，当导热介质(6)的温度达到80℃时，波纹状相变蓄热元件(5)内的稀土相变蓄热材料开始表向内部融化，待全部融化后相变蓄热过程结束，温度开始继续上升，当最高不能超过135℃。
二、释能供热过程：波纹状相变蓄热元件(5)中所储存的热量传递给导热介质(6)，将导热介质加热至50-80℃，导热介质(6)再将热能通过高效的换热盘管(7)传导给从被加热液体进口(10)流入的液体，随着释热过程的继续，波纹状相变蓄热元件(9)内相变蓄热材料释放热能后逐渐发生晶格变化——凝固，释放所存的潜热后，其温度开始下降并释放显热，达到规定的温度时，释热过程结束。
本实施例的有益效果是，可以通过高效的烟气换热器(17)、导热介质(6)、波纹状相变蓄热元件(9)、换热盘管(7)的传热完成尾气、烟气的余热回收和储存，以及对外释能供热，有利于余热和废热回收利用，便于安装、方便使用、结构紧凑，安全可靠。因此，该发明的推广应用将促进节能减排并能带来较大的经济效益和社会效益，具有广泛的推广价值和发展前景。
按照图1所述的实施方式，若把外形及结构更换为其他类似的技术方案，也均属本发明的保护范围。
按照图1所述的实施方式，虽外形及结构未更换为其他类似的技术方案，但其内部材料类似或更换为其他类似的蓄能材料也均属本适用新型的保护范围。
按照图2所述的实施方式形成的其他类似的技术方案，也均属本发明的保护范围。
按照图4所述的实施方式形成的其他类似的技术方案，也均属本发明的保护范围。
按照图5所述的实施方式形成的其他类似的技术方案，也均属本发明的保护范围
按照图6所述的实施方式形成的其他类似的技术方案，也均属本发明的保护范围

Claims (5)

1.一种波纹状相变蓄热元件，它是由波纹状园管(1)、稀土相变蓄热材料(2)、两端封头(3)等构成，其特征在于：将长度为0.5m—3m，直径为25mm—120mm，厚度为0.3mm—2mm的波纹状园管一端封堵后向管内充填蓄热材料，然后将另一端密封，制成具有蓄热功能的元件。
2.根据权利要求1所述波纹状相变蓄热元件，其特征在于：所述蓄热元件的容器是用高换热能力的波纹状园管制成，波纹管的沟槽有很好的导流作用，提高了导热介质的对流传热能力。
3.根据权利要求1所述波纹状相变蓄热元件，其特征是：蓄热元件内充有稀土相变蓄热材料。
4.根据权利要求1所述波纹状相变蓄热元件，其特征在于：波纹管外壳可以使元件在长度方向自由伸缩，消除了蓄热元件内相变蓄热材料在相变过程中因体积变化产生的应力。
5.根据权利要求1所述波纹状相变蓄热元件，其特征是：蓄热元件可以自由弯曲，适应于各种不同形状蓄热装置。
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