CN102967162B - 一种内置相变材料的蓄热热管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内置相变材料的蓄热热管，在重力式热管中添设蓄热段，并在蓄热段内置蓄热单元填充床，通过蓄热材料固液相变可存储释放热量，通过热管工质的气液相变在蓄热热管各段之间高效传递热量。蓄热单元填充床结构简单，可以显著增加蓄热材料与热管工质的换热面积，减小热阻，从而提高蓄、放热的速率。本发明所公开的蓄热热管，充放热速度快，充放热可同时进行，适合于间歇性与波动性的热源，在利用太阳能和回收工业余热废热方面具有一定的开发应用前景。

Description

一种内置相变材料的蓄热热管
技术领域
本发明涉及一种储能装置，更具体的说，涉及一种内置相变材料的具有蓄热功能的强化换热热管。
背景技术
当今社会能源和环境问题日益突出，如何高效的利用各种能源已成为亟须解决的问题。许多能源形式具有间歇性的特点，如太阳能、工业生产和生活过程中的废热等，在收集利用这类能源时通常会遇到能量供给和需求不平衡不同步的问题，所以具有缓冲和调和供需差异功能的热量存储装置就成为此类系统的关键部分。
传统的热量蓄存装置多采用显热蓄热的方式，由于蓄热密度低，其结构庞大，而且储能过程温差变化大。
相变材料在固液相变过程中潜热很大而且温度基本保持恒定，使用相变蓄热材料可以设计出结构紧凑，体积灵巧的蓄热装置。较常用的相变材料主要有石蜡、熔盐、盐水合物等，这些相变材料的导热系数一般都比较小，因此大多数相变蓄热装置的蓄热和放热过程十分缓慢，通常会采用添加翅片、内置金属或石墨骨架（比如用石蜡浸润膨胀石墨和泡沫金属制成的复合材料可以在少量损失蓄热能力的情况下增强换热能力）等方式来增强换热。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种内置相变材料的蓄热热管，克服了蓄热材料导热性能差的技术缺陷，利用气液相变工质高效传递热量，提供一种蓄、放热速率快并且能够同时进行的装置。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种内置相变材料的蓄热热管，包括热管壳体，其特征在于，所述热管竖直放置时由下往上依次分为加热段、蓄热段和冷却段，所述蓄热段内部容纳有由相变蓄热单元堆积而成的蓄热单元填充床，所述蓄热单元由外壳和外壳内部的相变材料组成，所述蓄热单元被由金属网制作而成的蓄热单元填充床架包裹、分隔和束缚；在所述蓄热单元填充床和冷却段之间安装布液器，使从冷却段冷凝下落的液体均匀的洒落在蓄热单元填充床上；在所述热管壳体内填充热管工质，所述热管工质将所述蓄热单元填充床的一部分淹没，所述热管工质气液相变在各段传递热量，蓄热单元填充床内蓄热单元固液相变蓄放热量。
所述蓄热单元为球状的蓄热球。
所述蓄热单元的外壳与内部相变材料根据具体使用的温度和压力来确定。
所述蓄热单元外壳内除相变材料外还留有少量空隙，防止相变材料相变时由于体积变化而引起外壳膨胀破坏
所述蓄热球体直径越小，单个蓄热球的换热热阻越小，蓄热球数量越多，总的换热面积也越大，蓄、放热的速率也就越快。
由于要维持蓄热单元按照一定的规律摆列，以及使蓄热单元填充床内留有气、液通道，采用金属网制作蓄热单元的填充床支架。所述金属网的网孔较大，但又小于蓄热单元的尺寸，以起到支撑和束缚蓄热单元的作用。
所述布液器安装在蓄热段内靠近冷凝段的位置，它可以分布从冷却段流下的液体工质，使其均匀洒落在蓄热单元填料床上。所述的布液器由多孔的金属板制成，并且在布液器中心留有蒸汽的通道。
本发明实际是在重力式热管加热段和冷却段之间增加一个蓄热段，使热管具有蓄热的能力。气液相变过程具有很强的换热能力，所以克服了一般相变蓄热装置换热能力差，充放热慢的缺陷。
本发明蓄热热管的工作原理：本发明的蓄热热管需要竖直放置，依靠重力作为液体工质回流的动力。蓄热阶段，加热段的液体受热蒸发使该部位气压升高从而驱动蒸汽向气压较小部位运动，有一部分蒸汽在蓄热段向蓄热单元放热冷凝（蓄热材料受热融化），另一部分上升到冷却段后凝结放热（充放热同时进行时）；凝结的液体下流并经过布液器后洒落到填充床，最后和加热段液体混合。在放热阶段，加热段热源停歇或微弱，蓄热单元内液态的相变材料固化放热，并通过热管工质将热量传递给冷却段。为保证在放热阶段热管工质能够在蓄热段和冷却段传递热量，热管内填充的工质的要淹没一部分蓄热单元。从工作温度上区分，加热段温度最高，冷却段温度最低，蓄热段温度在两者之间。蒸汽运动的动力是各段因温度的不同而造成的饱和压差，冷凝液体依靠重力回流。在加热热源波动的过程中蓄热段起到了缓冲的作用，它蓄存热源的多余热量，并在热源停歇或者微弱的时候向冷却段放热，使冷却段能持续的获得热量，可以显著减小热源波动的不利影响。蓄热单元蓄热过程所吸收的热量包括三部分：未到达相变点之前吸收的显热，相变过程吸收的潜热，相变完成之后液体温度上升所需的显热，而相变潜热的量最大。蓄热材料相变的热量来源主要是蒸汽在蓄热单元外表面蒸汽的凝结放热以及工质的对流换热。蓄热单元凝固释放的热量由其外表面的工质对流、蒸发带走。
本发明提供了一种新型的蓄热换热装置，它利用固液相变来储存和释放热量，利用气液相变在高温端，中温蓄热段，低温段进行热量交换，蓄热单元和热管工质的配合提高了蓄热段的换热能力，克服了一般蓄热装置蓄、放热速率低的缺点。其优点是体积小，充放热快，可以充放热同时进行，尤其适合于利用间歇性的热源，在利用太阳能工业余热废热方面具有一定的开发前景。
附图说明
图1为本发明所公开的内置相变材料的蓄热热管的结构示意图；
图2为本发明所公开的内置相变材料的蓄热热管的外观图；
图3为本发明所公开的布液器示意图；
图4为本发明所公开的内置相变材料的蓄热热管的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所提供的技术方案做进一步详细的阐述。
图1、图2所示，本发明的蓄热热管的组成部分包括外部的壳体，热管的壳体分为三部分，加热段1、蓄热段2、冷却段3。加热段和冷却段的端部分别焊接有端盖，冷却段的端盖上还留有填充工质和密封需要的封头7。蓄热段内部有一定的空间，以容纳一定的蓄热材料。由于所设计的热管是重力式热管，所以热管使用时需要竖直放置，加热段在下，冷却段在上。液体工质回流到加热段，受热后蒸发汽化，蒸汽在饱和压差作用下上升，蓄热段则既有蒸发也有冷凝，冷却段气体冷却凝结，凝结液沿管壁在重力作用下回流。
本发明的蓄热热管的组成部分还包括蓄热段2内的由相变蓄热球4按照一定的规律堆积而成的蓄热球填充床，所有的蓄热球4被由金属网制作而成的蓄热球填充床架5包裹、分隔和束缚，使蓄热球4束缚在一定的空间内，并且留下合适的气液通道。本实施例中的蓄热单元选用球状的蓄热球，也可根据实际需要采用其他形状。
图3所示，在冷却段3和蓄热段2的接口处，从上面流下来的液体会集中下落在接口的附近，经过布液器6后，均匀的洒落在蓄热球填充床上，布液器6的中间开有小孔，作为蒸汽向上运动的通道。
蓄热球填充床使用的蓄热球4由外壳和包裹在其中的相变材料构成，在球体内部还留有少量的空气，为相变发生时体积变化预留空间。根据实际工作压力，工作温度等条件的需求可以选取不同的外壳材质、相变材料的蓄热球。本实施例中蓄热球4的外径25mm。蓄热球内部相变材料为石蜡，相变温度52℃。
热管工质要有合适的填充量，要淹没一部分蓄热球4。
加工的过程如下：
首先机械加工或直接购买所需的热管壳体、端盖、金属网蓄热球等；
将热管壳体、端盖、金属网、蓄热球进行除油除锈的前处理，然后烘干；
之后进入焊接和安装的环节，包括氩弧焊，焊口打磨，图4所示，首先将加热段1和冷却段3的外壳管与端盖焊接，焊接焊缝8、13，之后将蓄热段2的下端盖与蓄热段外壳管焊接，焊接焊缝12，并将加热段1与蓄热段2焊接，焊接焊缝11；
将冷却段3管壳与蓄热段2的上端盖焊接，焊接焊缝10；
冷却之后将金属网和蓄热球按一定的位置次序放置在蓄热段内，形成蓄热球填充床，然后安装布液器，最后将热管的蓄热段管壳与蓄热段的上端盖焊接，焊接焊缝9，最终完成制作；
填充热管工质后，对热管进行烘烤，使内部的空气排出，最后将封头7焊死。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种内置相变材料的蓄热热管，包括热管壳体，其特征在于，所述热管竖直放置时由下往上依次分为加热段、蓄热段和冷却段，所述蓄热段直径比加热段和冷却段大，所述蓄热段内部容纳有由相变蓄热单元堆积而成的蓄热单元填充床，所述蓄热单元由外壳和外壳内部的相变材料组成，所述蓄热单元被由金属网制作而成的蓄热单元填充床架包裹、分隔和束缚；在所述蓄热单元填充床和冷却段之间安装布液器，使从冷却段冷凝下落的液体均匀的洒落在蓄热单元填充床上；在所述热管壳体内填充热管工质，所述热管工质将所述蓄热单元填充床的一部分淹没，所述热管工质通过气液相变在各段传递热量，蓄热单元填充床内的蓄热单元通过固液相变蓄放热量。
2.根据权利要求1所述的内置相变材料的蓄热热管，其特征在于，所述蓄热单元为球状的蓄热球。
3.根据权利要求1或2所述的内置相变材料的蓄热热管，其特征在于，所述蓄热单元的外壳材质与内部的相变材料根据具体使用的温度和压力来确定。
4.根据权利要求1所述的内置相变材料的蓄热热管，其特征在于，所述蓄热单元外壳内除相变材料外还留有少量空隙，防止相变材料相变时由于体积变化而引起外壳膨胀破坏。
5.根据权利要求1所述的内置相变材料的蓄热热管，其特征在于，所述蓄热单元填充床架的金属网孔小于所述蓄热单元的外径，以起到支撑和束缚蓄热单元的作用。
6.根据权利要求1所述的内置相变材料的蓄热热管，其特征在于，所述布液器由多孔金属板制成，并在中心留有蒸汽通孔。
7.根据权利要求1所述的内置相变材料的蓄热热管，其特征在于，所述冷却段端盖上留有填充热管工质和密封需要的封头。
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