CN103575145A - 一种“d形”潜热蓄热构件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种“D形”潜热蓄热构件，包括加热壁面、曲线形外壁和两个竖向壁面，内部填充相变材料，外部包覆保温层，曲线形外壁的外形轮廓曲线延逆时针方向旋转90度后得到的曲线满足Peak Functions函数中Asym2Sig曲线的分布样式。本发明使更多的固态相变材料可直接与高温的液相相变材料接触换热，缓解了大量高温液相相变材料积聚在容器顶部的现象，使容器内的竖向温度分布更加均匀，同时还有效地消除了融化过程中存在于传统矩形容器底部处的换热死角；本发明有效地增强了融化过程中的对流换热强度，使构件内相变材料的融化速率得到最大限度的提升，蓄热时间变短，单位时间的蓄热量增加。
Description
技术领域
本发明涉及热能回收、储存系统中的蓄热构件，具体涉及一种“D形”潜热蓄热构件。
背景技术
蓄热装置是余热回收、太阳能等可再生能源利用领域中非常重要的一项工具。其主要作用在于将工业上产生的各种不连续的废热以及太阳能这样随时间变化的间歇性能源在供能充足时将其储存起来，然后在需要的时候再释放出来以供用户使用。潜热蓄热装置因其单位体积的蓄热量大、蓄热过程中温度相对恒定、有不同温度段的装置可供选择等优点而受到关注。板式蓄热器（对应矩形的蓄热构件）因其结构简单、单位体积的蓄热量大等优点受到广泛的研究和应用。但是，对于这种由矩形蓄热构件构成的板式蓄热器，存在一个共同的缺点，那就是在相变材料选定，运行工况一定的情况下，因大多数相变材料具有较低的导热系数，存在换热死角，使整个蓄热装置的换热性能低下，从而导致相变蓄热装置无法快速地进行热量的储存或释放，成为制约其发展和应用的主要因素，因此，对该类相变蓄热器换热过程的强化无疑具有重要的意义。
通常，相变过程中换热的强化分为两大类：一类是蓄热（融化）过程的强化，如工业上余热等热能的回收，这类热源的一个共同点是具有极大的不稳定性，设法在最短的时间内储存最多的热能是此类问题的核心。另一类是放热（凝固）过程的强化，如太阳能之类的热源，其特点是在相对较长的一段时间内有稳定的发热量，增加蓄热过程中放热的次数是解决问题的关键。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷与不足，本发明的目的在于，通过对现有矩形蓄热装置结构的优化，提供一种高效的“D形”潜热蓄热构件，该“D形”潜热蓄热构件通过对相变材料分布位置的改变，增强了对流换热的强度，改善了装置内的竖向温度分布，最终有效地消除了传统矩形蓄热构件内蓄热过程中出现的换热死角，缩短了蓄热时间，增大了单位时间的蓄热量。
为了实现上述任务，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种“D形”潜热蓄热构件，包括一个加热壁面和两个竖向壁面，该构件还包括一个曲线形外壁，加热壁面的两端与曲线形外壁的两端相接，两个竖向壁面设置在加热壁面和曲线形外壁的两侧，形成一个壳体，在曲线形外壁面上设置有相变材料填充管，壳体内填充有相变材料，壳体内通过相变材料填充管填充有相变材料，所述的相变材料填充管在向壳体内填充满相变材料后密封；
所述的曲线形外壁的外形轮廓曲线延逆时针方向旋转90度后得到的曲线满足Peak Functions函数中Asym2Sig曲线的分布样式。
本发明还具有如下技术特征：
所述的Asym2Sig曲线的函数式为：
y＝y0+A(1/(1+exp(-(x-xc+w1/2)/w2)))(1-1/(1+exp(-(x-xc+w1/2)/w3)))
式中：y0＝-23.2，xc＝8.3，A＝34.8，w1＝46，w2＝18.6，w3＝0.5。
所述的加热壁面由导热系数高的铜板制成。
所述的曲线形外壁和竖向壁面均采用不锈钢板制成。
所述的曲线形外壁和竖向壁面外均设置有一层保温层。
本发明与现有技术相比，具有如下有益的技术效果：
本发明的潜热蓄热构件，由于其形状改变了相变材料的分布位置，在融化过程中温度较高，融化速率较快的位置分布较多的固态相变材料，在温度偏低，融化速率较慢的地方则布置相对较少的固态相变材料，从而使更多的固态相变材料可直接与高温的液相相变材料接触换热，缓解了大量高温液相相变材料积聚在容器顶部的现象，使壳体内竖向的温度分布更加均匀。
本发明的潜热蓄热构件还有效地消除了融化过程中存在于传统矩形构件底部处的换热死角。
本发明的潜热蓄热构件更利于自然对流的作用，有效地增强了融化过程中对流换热的强度，最终使固态相变材料的融化速率得到提升，蓄热时间变短，单位时间的蓄热量增加。
附图说明
图1是“D形”潜热蓄热构件的主视结构示意图。
图2是“D形”潜热蓄热构件的左视结构示意图。
图3是“D形”潜热蓄热构件内相变材料融化过程中的相界面变化图。
图4是“D形”潜热蓄热构件内相变材料融化过程中的温度场分布图。
图5是矩形潜热蓄热构件内相变材料融化过程中的相界面变化图。
图6是矩形潜热蓄热构件内相变材料融化过程中的温度场分布图。
图7是矩形潜热蓄热构件与“D形”潜热蓄热构件蓄热时间的对比图。
图8是矩形潜热蓄热构件加热壁面上努塞尔特数Nu与“D形”潜热蓄热构件加热壁面上努塞尔特数Nu的对比图。
图中各个标号的含义为：1-加热壁面，2-竖向壁面，3-曲线形外壁，4-相变材料，5-相变材料填充管，6-保温层。
以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细地说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
遵从上述技术方案，如图1和图2所示，下述实施例给出一种“D形”潜热蓄热构件，包括一个加热壁面1和两个竖向壁面2，该构件还包括一个曲线形外壁3，加热壁面1的两端与曲线形外壁3的两端相接，两个竖向壁面2设置在加热壁面1和曲线形外壁3的两侧，形成一个壳体，在曲线形外壁3上设置有相变材料填充管5，壳体内通过相变材料填充管5填充有相变材料4，所述的相变材料填充管5在向壳体内填充满相变材料4后密封；
所述的曲线形外壁3的外形轮廓曲线延逆时针方向旋转90度后得到的曲线满足Peak Functions函数中Asym2Sig曲线的分布样式。
加热壁面1由导热系数高的铜板制成，以增强相变材料4与传热流体间的换热。
曲线形外壁3和竖向壁面2均采用不锈钢板制成。不锈钢板为导热系数相对较小的材质（与铜板相比），同时又有足够的强度，可以承受相变材料在相变时体积变化所产生的各种应力。
曲线形外壁3和竖向壁面2外均设置有一层保温层6，从而减少向环境的热损失。
相变材料4为石蜡、烷烃、脂肪酸等性能稳定、腐蚀性小且成本低的有机类相变储能材料。
采用分层的方式将液相相变材料4逐层灌入壳体内，每次填充的高度为3cm，且后一次填充要在前面一层液相相变材料4完全凝固之后进行，填充满后再抽真空，最后将壳体顶端的相变材料填充管5折断后密封。这样就确保了壳体内部不含空气从而不会影响换热，同时还能增强潜热蓄热构件的密封性。
需要说明的是，下述实施例中的“D形”潜热蓄热构件与矩形潜热蓄热构件的体积、厚度、高度均相等，填充的相变材料4的种类、质量也都相同。
实施例中的蓄热时间指的是蓄热构件内的相变材料从开始融化的时刻起，到蓄热构件内所有的相变材料完全融化的时刻为止，这个过程中的时间。
实施例：
本实施例中“D形”潜热蓄热构件的高为30cm，厚度为10cm。本实施例中所采用的相变材料为石蜡（n-octadecane）。将构件的曲线形外壁的外形轮廓曲线延逆时针方向旋转90度后得到的曲线满足Peak Functions函数中Asym2Sig曲线的分布样式，其函数表达式为：
y＝y0+A(1/(1+exp(-(x-xc+w1/2)/w2)))(1-1/(1+exp(-(x-xc+w1/2)/w3)))
式中：y0＝-23.2，xc＝8.3，A＝34.8，w1＝46，w2＝18.6，w3＝0.5。
本实施例的构件在融化过程中不同时刻的相界面见图3，从图3可以看出，初始时刻的相界面是平行于加热壁面的，之后随着融化过程的进行，自然对流开始起作用，相界面逐渐弯曲，说明此时上部的融化速率大于下部。该“D形”潜热蓄热构件，通过对相变材料分布位置的改变，巧妙地利用了相变材料融化过程中的这一热传递特性，增强了对流换热的强度，有效地强化了传热（如图8所示，努塞尔特数Nu是反映换热强度的一个准则数），同时还消除了传统矩形构件内融化过程中存在的换热死角（如图5所示）。此外，将图4所示的“D形”构件内不同时刻的温度分布与图6中矩形构件内的温度场相比，可知融化过程中该构件内的竖向温度分层现象得到明显改善，沿高度方向的温度分布更加均匀。“D形”和矩形构件的蓄热时间对比如图7所示，相同条件下，“D形”构件内的相变材料5完全融化所需的时间为3680.4s，而矩形构件内等量的相变材料5完全融化所需的时间则为5532.9s，即“D形”潜热蓄热构件的蓄热时间比矩形潜热蓄热构件的蓄热时间缩短了33.4%。
Claims (5)
1.一种“D形”潜热蓄热构件，包括一个加热壁面（1）和两个竖向壁面（2），其特征在于，该构件还包括一个曲线形外壁（3），加热壁面（1）的两端与曲线形外壁（3）的两端相接，两个竖向壁面（2）设置在加热壁面（1）和曲线形外壁（3）的两侧，形成一个壳体，在曲线形外壁（3）上设置有相变材料填充管（5），壳体内通过相变材料填充管（5）填充有相变材料（4），所述的相变材料填充管（5）在向壳体内填充满相变材料（4）后密封；
所述的曲线形外壁（3）的外形轮廓曲线延逆时针方向旋转90度后得到的曲线满足Peak Functions函数中Asym2Sig曲线的分布样式。
2.如权利要求1所述的“D形”潜热蓄热构件，其特征在于，所述的Asym2Sig曲线的函数式为：
y＝y0+A(1/(1+exp(-(x-xc+w1/2)/w2)))(1-1/1+exp(-(x-xc+w1/2)/w3)))
式中：y0＝-23.2，xc＝8.3，A＝34.8，w1＝46，w2＝18.6，w3＝0.5。
3.如权利要求1所述的“D形”潜热蓄热构件，其特征在于，所述的加热壁面（1）由导热系数高的铜板制成。
4.如权利要求1所述的“D形”潜热蓄热构件，其特征在于，所述的曲线形外壁（3）和竖向壁面（2）均采用不锈钢板制成。
5.如权利要求1所述的“D形”潜热蓄热构件，其特征在于，所述的曲线形外壁（3）和竖向壁面（2）外均设置有一层保温层（6）。
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