CN104154788A - 一种热管式固液相变蓄热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热管式固液相变蓄热器，包括箱体、肋片、吸液芯、相变蓄热材料及工作介质，箱体包括外壳和置于外壳内的两端开口的主通道，所述的主通道与外壳不连通，在外壳内设置所述的肋片和相变蓄热材料，肋片固定在所述的主通道上，肋片关于主通道中心轴呈环形布置，且沿主通道轴向方向多层布置，肋片具有中空结构，在中空结构的内壁附有所述的吸液芯，肋片内部空间填充通过蒸发与凝结实现热或冷源与所述相变蓄热材料之间热量传递的所述工作介质。本发明热管式蓄热器肋片通过内部工质的蒸发与凝结以实现热/冷源与固液相变蓄热材料之间的热量交换，提高了蓄热器的工作效率。

Description

一种热管式固液相变蓄热器

技术领域

本发明涉及一种蓄热装置，具体涉及的是一种基于热管原理的叉状肋片结构的固液相变蓄热器。

背景技术

在能源利用系统中，由于存在着供能和耗能之间的不协调造成能量利用的不合理，导致大量余热难以得到有效利用。在此背景下，相变蓄热技术应运而生。相对于液-气和固-气相变蓄热器，固液相变蓄热器因其具有容积蓄热密度大、蓄热温差变化小等优点而广泛应用于余热回收、太阳能储存以及供暖和空调系统。固液相变蓄热技术利用相变蓄热材料 (PCM， Phase Change Materials)发生相变时能量的吸收与释放来储存和释放能量，可以有效缓解能量供求双方在时间、地点、强度上的不匹配，是合理利用能源及减轻缓解污染的一种有效途径，也是热能系统优化运行的重要手段。

传统的固液相变蓄热器主要包括同心套管式和单个独立的相变材料容器这两种结构形式。在同心套管式蓄热器中，由于各小室相通，各小室难以独立运行，一旦某根换热管发生损坏，对整个蓄热器性能影响较大，使得其可靠性不足。在单个独立的相变材料容器中，每个小容器分别套装在工质导管上，虽然克服了上述缺点，但由于PCM充装工艺复杂，给实际生产应用带来诸多不便。此外，由于传热面积不足，传统的固液相变蓄热器的蓄热与放热过程缓慢，不能根据热量的供需变化实现快速调节。

考虑到叉状结构具有比表面积大的独特优势，本发明将蓄热器的换热肋片设计成叉状结构，并将之与热管技术紧密结合起来，以达到高效换热、节能的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述固液相变蓄热器结构及蓄热/放热性能的不足，提供一种新型的热管式固液相变蓄热器，其比表面积大、储热及放热过程效率高，具有重要的工程应用前景。

技术方案

本发明的技术方案是：

一种热管式固液相变蓄热器，包括箱体、肋片、吸液芯、相变蓄热材料及工作介质，其特征在于：所述的箱体包括外壳和置于外壳内的两端开口的主通道，所述的主通道与外壳不连通，在所述的外壳内设置所述的肋片和相变蓄热材料，所述的肋片固定在所述的主通道上，所述的肋片关于主通道中心轴呈环形布置，且沿主通道轴向方向多层布置，所述的肋片具有中空结构，在中空结构的内壁附有所述的吸液芯，肋片内部空间填充通过蒸发与凝结实现热或冷源与所述相变蓄热材料之间热量传递的所述工作介质。

所述的肋片具有叉状结构，在主通道外壁配置第一级分支肋片，第一级分支肋片沿径向延伸并产生交错布置的下级肋片。

所述的箱体构成蓄热器的空间结构，其形状为同心套管式，由银、铜（铜合金）、铝（铝合金）等高导热性能金属制成。在箱体表面包覆隔热材料以减少与环境之间的热交换。

所述的肋片关于主通道中心轴呈环形布置，且沿主通道轴向方向多层布置。每一层肋片包括m级分支肋片（m为大于等于2的整数），其中，在主通道外壁配置第一级分支肋片，第一级分支肋片沿径向延伸并产生交错布置的下级肋片。上下级肋片的直径之比为α ^-1/D( 直径指数D为大于等于2的实数)，所述的上下级通道长度之比为β ^-1/L(长度指数L取大于1的实数)。

所述的肋片每一级具有三个分支，沿主通道径向方向布置m级分支肋片，这充分利用了蓄热器内的空间，大幅增加了肋片与相变材料的换热面积。分叉肋片采用交错布置，这种布置方式将空间划分为若干相对独立的区域，能有效改善空穴分布，且能防止出现热松脱现象。所述的肋片通过内部工质的蒸发与凝结以实现热/冷源与固液相变蓄热材料之间的热量交换，强化了肋片与相变蓄热材料之间的热量交换。由于肋片内换热过程是基于蒸发/凝结相变传热而实现的，并且叉状肋片结构大大增加了换热面积，使得蓄热器的储热及放热过程效率更高。

所述的吸液芯为多孔金属泡沫、烧结金属粉末和复合吸液芯等。即使在逆重力条件下，通过吸液芯内的微孔产生毛细驱动力也能抵消重力作用进而保证凝结液及时回流到肋片的受热端。

所述的肋片内流动的工作介质为水、甲醇、丙酮等其他类型流体工质，该流体工质在腔体内维持饱和状态。

所述的固液相变蓄热材料为石蜡、脂肪酸、无机含水盐等性能稳定、无固液分层及过冷现象的蓄热材料。

有益效果

本发明涉及的一种热管式固液相变蓄热器，其散热肋片通过叉状结构向外延伸，充分利用了蓄热器内的空间，大幅增加了肋片与相变材料的换热面积。叉状结构中各肋片相对独立，提高了蓄热器的工作可靠性。并且，分支肋片交错布置能有效改善空穴分布，防止出现热松脱现象。此外，肋片通过内部工质的蒸发/凝结相变传热而实现的，使得蓄热及放热过程更为迅速，这大大提高了蓄热器的工作效率，使之能根据外部热需求的变化及时做出调节。

附图说明

图1为本发明的蓄热器1/4立体结构示意图。

图2为本发明的叉状肋片结构示意图。

图3为肋片结构的热管工作原理图。

图4为本发明工作原理示意图。

附图标记说明：

1-箱体；2-肋片；3-相变蓄热材料；4-主通道；5-外壳；6-隔热材料；7-吸液芯；8-蒸汽；9-凝结液；10-工作介质；11-冷/热流体。 

具体实施方式

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

为便于观察，图1给出了本发明叉状热管式蓄热器的1/4立体结构示意图。一种具有叉状结构特征的热管式蓄热器，由箱体1、肋片2、相变蓄热材料3构成。箱体1包括主通道4和外壳5两部分，冷/热流体11流经主通道与蓄热器进行热交换。在外壳5表面置有隔热材料6；在箱体1与肋片2的空隙内填充相变蓄热材料3。肋片2关于主通道4呈环绕布置，且沿主通道轴向方向布置有多层肋片，肋片2沿径向延伸并产生分支肋片。

图2给出了叉状结构换热肋片的结构示意图。肋片2沿径向不断产生分支肋片，进而大幅增加了肋片与相变材料的换热面积。肋片2具有中空结构，其内部贴附吸液芯7，在肋片2的中心空间发生工质的流动。由于叉状结构中各肋片相对独立，单个分支肋片的损坏对整个循环工况影响较小，这大大提高了蓄热器的工作可靠性。此外，分支肋片交错布置能有效改善空穴分布，防止出现热松脱现象。

图3为肋片结构的热管工作原理图。当高温流体流经主通道时，工作介质受热蒸发，产生的蒸汽8迅速扩散至各分支肋片，热量通过分支肋片的表面传递给相变蓄热材料3，相变材料吸收热量，由固相变为液相；蒸汽放热在分支肋片内壁凝结，凝结液9在重力作用下流回受热端。冷凝回来的凝结液再参与下一个工作循环，这样便实现了蓄热过程。该实施例通过肋片内部工质的蒸发与凝结，实现了热/冷源与固液相变蓄热材料之间的快速换热，这大大提高了蓄热器的工作效率，使之能根据外部热需求的变化及时做出调节。

图4给出了本发明的工作原理示意图。来自于太阳能、工业废热、余热等的热量加热的热水，通过主通道进口流经该蓄热器，在此过程中，热水的热量通过导热作用传递给肋片2，肋片2通过上述热管原理将热量迅速传递给相变蓄热材料，实现蓄热过程。

当蓄热器需要放热时，使冷水沿着同样的流程进行，肋片内部工质10在压力差的作用下流向各个分支。当温度低于相变点时，固液相变材料放出热量，由液相变为固相。在此过程中，肋片内工质受热蒸发并向主通道方向扩散，蒸汽8受冷凝结同时将热量传递给冷水，从而完成放热过程，凝结液则流回分支肋片参与下一工作循环。

Claims (5)

1.一种热管式固液相变蓄热器，包括箱体、肋片、吸液芯、相变蓄热材料及工作介质，其特征在于：所述的箱体包括外壳和置于外壳内的两端开口的主通道，所述的主通道与外壳不连通，在所述的外壳内设置所述的肋片和相变蓄热材料，所述的肋片固定在所述的主通道上，所述的肋片关于主通道中心轴呈环形布置，且沿主通道轴向方向多层布置，所述的肋片具有中空结构，在中空结构的内壁附有所述的吸液芯，肋片内部空间填充通过蒸发与凝结实现热或冷源与所述相变蓄热材料之间热量传递的所述工作介质。

2.根据权利要求1所述的热管式固液相变蓄热器，其特征在于：所述的肋片具有叉状结构，在主通道外壁配置第一级分支肋片，第一级分支肋片沿径向延伸并产生交错布置的下级肋片。

3.根据权利要求1所述的热管式固液相变蓄热器，其特征在于：所述的吸液芯为多孔金属泡沫、烧结金属粉末和复合吸液芯。

4.根据权利要求1所述的热管式固液相变蓄热器，其特征在于所述的肋片内流动的工作介质为水、甲醇、丙酮。

5.根据权利要求1所述的热管式固液相变蓄热器，其特征在于：所述的固液相变蓄热材料为石蜡、脂肪酸、无机含水盐。