CN104236359B - 一种采用金属泡沫的梯级相变蓄热放热一体化装置 - Google Patents

Abstract

一种采用金属泡沫的梯级相变蓄热放热一体化装置，涉及一种热能梯级存储装置。本发明为了解决现有的热能存储装置无法将高温热能按照不同热能品质进行分段梯级快速存储利用的问题。放热管部分包括多个放热管，n级相变材料蓄热单元依次排布相邻两级相变材料蓄热单元之间通过隔档间隔，放热管内设置有n级放热管金属泡沫，各级放热管金属泡沫在放热管内的位置位于相应的相变材料蓄热单元内，每个放热管的外围布置有n级吸热管部分，各级吸热管的水平部分均插装在相应的相变材料蓄热单元内，各级吸热管的水平部分内部设置有吸热管金属泡沫。本发明采用多级相变材料蓄热单元对热能进行梯级存储，以在保持能量品质的前提下提高能量利用效率。

Description

一种采用金属泡沫的梯级相变蓄热放热一体化装置

技术领域

本发明涉及一种热能梯级存储装置，具体涉及一种采用金属泡沫的梯级相变蓄热放热一体化装置，在太阳能热利用、余热回收等领域按照热能品质进行热能梯级存储。

背景技术

热储能技术是解决在时间、地域、强度等方面热能供需不匹配的调节方式，不仅能提高能源利用效率，而且可以实现资源合理利用，因此在太阳能利用、宇宙飞船热供应系统、余热回收、LNG冷能利用、电力调峰、建筑物的保温与制冷、周期性工作的电子器件的温度控制及医学物品保存与运输等方面具有广泛应用。成熟的热储能技术主要由显热储能、气液相变储能、固液相变储能三种，其中热蓄热密度较低，化学蓄热化学稳定性限制，而固液相变蓄热技术由于具有储存能量密度大、稳定性好、体积变化小、温度变化范围小等优点，是蓄热的首要选择。

高温流体流经蓄热单元时与相变材料发生相变换热，对单级蓄热单元，高温流体与PCM换热时温度急剧降低，导致相变传热的驱动力减弱，可采用具有不同相变温度的多级相变蓄热方式来改善热能利用效率。对比显热和单级及多级潜热的蓄热量，相同温差下三级相变蓄热量远高于单级相变蓄热量，因此梯级相变蓄热技术的蓄热能力更强。采用具有不同蓄热温度的多级蓄热技术对热能进行梯级存储可有效改善换热效率。采用梯级相变蓄热，在拓展热利用温度范围、提高热利用效率的同时，也会使换热单元数、辅助设备数及换热器体积大大增加，这不仅增大了系统成本，也增加了运行不稳定性，因此应在梯级蓄热过程中采用特定强化换热技术以使传热系统紧凑化。

此外，用于固液相变的相变材料的导热系数普遍较低，有机相变材料约0.2W/(mK),无机相变材料约0.5W/(mK)，因此寻找合适的强化固液相变换热方式成为研究者们面临的重要课题。金属泡沫是近年来出现的一类新颖多功能材料，具有高孔隙率、高通透性、高比表面积、高导热性等传热学优势，还具有轻质、降低噪音、电磁辐射屏蔽、能量吸收、良好力学承载能力等多功能特性，尤其是金属泡沫的高比表面积和高导热能力完全可以弥补普通相变材料导热系数较低的不足。然而将采用超轻金属泡沫的热能梯级存储装置尚未出现，因此，亟待设计一种采用金属泡沫对高品位热能进行梯级存储利用的紧凑式一体化装置。

发明内容

本发明为了解决现有的热能存储装置无法将高温热能按照不同热能品质进行分段梯级快速存储利用的问题，进而提供一种采用金属泡沫的梯级相变蓄热放热一体化装置。

本发明为了解决上述技术问题所采取的技术方案是：

本发明的一种采用金属泡沫的梯级相变蓄热放热一体化装置，包括壳体、放热管部分、n级相变材料蓄热单元、n级吸热管部分、n-1个隔档；

放热管部分水平布置在壳体内，放热管两端穿出壳体，放热管部分包括多个前后并列排布放热管，n级相变材料蓄热单元沿放热管内介质的流动方向依次排布在壳体内，相邻两级相变材料蓄热单元之间通过隔档间隔，放热管内设置有n级放热管金属泡沫，各级放热管金属泡沫在放热管内的位置位于相应的相变材料蓄热单元内，每个放热管的外围沿放热管内介质的流动方向依次布置有n级吸热管部分，各级吸热管的水平部分均插装在相应的相变材料蓄热单元内，各级吸热管的水平部分内部设置有吸热管金属泡沫，各级吸热管的竖直部分穿出壳体置于外部，n为大于2的自然数，实现对不同品质热能进行多层次的存储利用。

所述隔档采用绝热材料制成。防止各级相变材料蓄热单元相互之间的传热。

在各级相变材料蓄热单元处的放热管段内充有金属泡沫，在各个隔档处的放热管段无金属泡沫，放热管金属泡沫段管壁采用铜或铝制成，无金属泡沫管段采用导热系数较低的不锈钢制成，放热管的金属泡沫管段和无金属泡沫管段采用焊接方式连接。

放热管贯穿于每一级相变材料蓄热单元中，沿着放热流体流动方向各级相变材料蓄热单元的相变材料熔点逐渐降低，相应的热能品质依次降低。

在热能释放阶段，不同的吸热流体流过各级相变材料蓄热单元吸收热量，沿着放热流体流动方向吸热流体的能量品质依次升高。

所有放热管是并联的，每一级相变材料蓄热单元中的数根吸热管也是并联的。

吸热管内的吸热流体的流动方向与放热管内放热流体的流动方向是相反的。

吸热管对称的分布在放热管两侧。

所有采用金属泡沫的单元的金属泡沫参数不一定相同，可以根据实际应用进行调整，所述金属泡沫孔隙率范围0.7～0.99，孔密度范围3PPI～300PPI，金属泡沫材料为铜、铝、镍、铁金属及其合金，优选的采用廉价的铝。

放热管和放热管金属泡沫接触的地方采用烧结方式进行连接，吸热管与吸热管金属泡沫接触的地方也采用烧结方式进行连接。

壳体外面包覆一层绝热层，绝热层的材料种类是多样的，绝热层厚度大于100mm。

各级蓄热单元中填充的相变材料是填充至密闭的蓄热单元壳内，相变材料为金属泡沫复合材料，在凝固时相变材料占空隙部分的体积比小于90％。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本发明采用多级具有不同相变温度的含相变材料蓄热单元对高品质热能进行梯级存储，以在保持能量品质的前提下提高能量利用效率。由于相变材料导热系数普遍较低，因此采用在高孔隙率金属泡沫中填充相变材料的方式来提升相变传热过程的传热能力和蓄热速率。为保证相邻蓄热单元之间保持绝热，本发明在相邻蓄热单元之间填充了由轻质绝热材料组成的隔档。在蓄热阶段，携带高品质热能的流体逐次流过各级蓄热单元将热量传递给各级金属泡沫相变复合材料，同时其能量品质逐渐降低，沿着放热流体流动方向，各级蓄热单元的相变温度逐渐降低，其储存的热能品质也逐渐降低。为保证蓄热效果，放热流体管位于蓄热装置中心，在每一级蓄热单元处的放热流体流动管段内烧结金属泡沫，为减小流动阻力在隔档处的管段内无金属泡沫。在热能释放阶段，不同吸热流体分别流过各级蓄热单元对应的吸热管将热量带走，沿着放热流体流动方向，吸热流体所携带的热能的品质逐渐降低。为了增强热能释放时的传热，在蓄热单元处的吸热管段内烧结金属泡沫，吸热管其它管段则无金属泡沫。为了保证系统的紧凑度，本发明将蓄热模块和放热模块集合到一个一体化装置内，整个装置既可以蓄热又可以放热，且蓄热和放热既可以同时进行，又可以交错进行。为减小接触热阻，所有金属泡沫与放热管和吸热管连接处均通过烧结技术进行结合。开孔金属泡沫具有千变万化的微结构，在高孔隙率前提下，孔径可逐渐由毫米级减小到微米甚至纳米级，具有良好可设计性，本发明据此通过调整金属泡沫的孔隙参数(孔隙率、孔密度、孔均匀度等)来调整热能储存和释放速率以及流体在金属泡沫内的对流传热能力。为减小整个系统热损失，在装置外部包裹一层保温材料。

附图说明

图1是本发明的一种采用金属泡沫的梯级相变蓄热放热一体化装置的主剖视图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是具体实施方式一的蓄热放热一体化装置的结构示意图；

图4是金属泡沫相变复合材料蓄热能力与纯相变材料蓄热能力对比图；

图中：A-壳体；B-放热管部分；C-四级相变材料蓄热单元；D-四级吸热管部分；E-隔档；1-放热管；2-放热管入口；3-放热管金属泡沫I；4-放热管金属泡沫II；5-放热管金属泡沫III；6-放热管金属泡沫IV；7-放热管出口；8-一级蓄热单元；9-一级吸热管；10-一级吸热管入口；11-一级吸热管金属泡沫；12-一级吸热管出口；13-一二级蓄热单元隔档；14-二级蓄热单元；15-二级吸热管；16-二级吸热管入口；17-二级吸热管金属泡沫；18-二级吸热管出口；19-二三级蓄热单元隔档；20-三级蓄热单元21-三级吸热管22-三级吸热管入口；23-三级吸热管金属泡沫；24-三级吸热管出口；25-三四级蓄热单元隔档；26-四级蓄热单元；27-四级吸热管；28-四级吸热管入口29-四级吸热管金属泡沫；30-四级吸热管出口；31-保温层。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4进行说明，本实施方式的一种采用金属泡沫的梯级相变蓄热放热一体化装置，包括壳体A、放热管部分B、四级相变材料蓄热单元C、四级吸热管部分D、三个隔档E；

其中，四级相变材料蓄热单元C包括一级蓄热单元8、二级蓄热单元14、、三级蓄热单元20、四级蓄热单元26；

四级吸热管部分D包括一级吸热管部分、二级吸热管部分、三级吸热管部分、四级吸热管部分；

放热管部分B包括放热管1、放热管入口2、放热管金属泡沫I3、放热管金属泡沫II4、放热管金属泡沫III5、放热管金属泡沫IV6、放热管出口7；放热管金属泡沫I3、放热管金属泡沫II4、放热管金属泡沫III5和放热管金属泡沫IV6等间距排列在放热管1内，放热管穿设在四级相变材料蓄热单元内，且放热管金属泡沫I3、放热管金属泡沫II4、放热管金属泡沫III5和放热管金属泡沫IV6的布置位置均位于相应的相变材料蓄热单元内，

一级吸热管部分由一级吸热管9、一级吸热管入口10、一级吸热管金属泡沫11、一级吸热管出口12组成；一级吸热管金属泡沫11设置在一级吸热管的水平段；

二级吸热管部分由二级吸热管15、二级吸热管入口16、二级吸热管金属泡沫17、二级吸热管出口18组成；二级吸热管金属泡沫17设置在二级吸热管的水平段；

三级吸热管部分由三级吸热管21、三级吸热管入口22、三级吸热管金属泡沫23、三级吸热管出口24组成；三级吸热管金属泡沫23设置在三级吸热管的水平段；

四级吸热管部分由四级吸热管27、四级吸热管入口28、四级吸热管金属泡沫29、四级吸热管出口30组成；四级吸热管金属泡沫29设置在四级吸热管的水平段；

各级吸热管部分的吸热管金属泡沫与放热管部分相应的放热管金属泡沫对应；各级吸热管部分的吸热管的竖直部分均穿出壳体；

一级蓄热单元8和二级蓄热单元14由一二级蓄热单元隔档13隔开，二级蓄热单元14和三级蓄热单元20由二三级蓄热单元隔档19隔开，三级蓄热单元20和四级蓄热单元26由三四级蓄热单元隔档25隔开；

整个装置外面包覆一层保温层31。

在蓄热阶段，放热流体从放热管入口2流入放热管1，依次流经放热管金属泡沫I3、一二级蓄热单元隔档13对应的无泡沫管段、放热管金属泡沫II4、二三级蓄热单元隔档19对应的无泡沫管段、放热管金属泡沫III5、三四级蓄热单元隔档25对应的无泡沫管段、放热管金属泡沫IV6分别将热量传递给一级蓄热单元8、二级蓄热单元14、三级蓄热单元20和四级蓄热单元26储存起来，最后放热流体从放热管出口7流出。在放热阶段，一级蓄热单元8、二级蓄热单元14、三级蓄热单元20和四级蓄热单元26分别放热，一级吸热流体从一级吸热管入口10进入一级吸热管9，经过一级吸热管金属泡沫11管段与一级蓄热单元8中的金属相变复合材料进行换热，吸收热量后经一级吸热管出口12流出，其它三级吸热流体的流动过程与第一级类似。

所述隔档采用绝热材料制成。防止各级相变材料蓄热单元相互之间的传热。

在各级相变材料蓄热单元处的放热管段内充有金属泡沫，在各个隔档处的放热管段无金属泡沫，放热管金属泡沫段管壁采用铜或铝制成，无金属泡沫管段采用导热系数较低的不锈钢制成，放热管的金属泡沫管段和无金属泡沫管段采用焊接方式连接。

放热管贯穿于每一级相变材料蓄热单元中，沿着放热流体流动方向各级相变材料蓄热单元的相变材料熔点逐渐降低，相应的热能品质依次降低。

在热能释放阶段，不同的吸热流体流过各级相变材料蓄热单元吸收热量，沿着放热流体流动方向吸热流体的能量品质依次升高。

所有放热管是并联的，每一级相变材料蓄热单元中的数根吸热管也是并联的。

吸热管内的吸热流体的流动方向与放热管内放热流体的流动方向是相反的。

吸热管对称的分布在放热管两侧。

所有采用金属泡沫的单元的金属泡沫参数不一定相同，可以根据实际应用进行调整，所述金属泡沫孔隙率范围0.7～0.99，孔密度范围3PPI～300PPI，金属泡沫材料为铜、铝、镍、铁金属及其合金，优选的采用廉价的铝。

放热管和放热管金属泡沫接触的地方采用烧结方式进行连接，吸热管与吸热管金属泡沫接触的地方也采用烧结方式进行连接。

壳体外面包覆一层绝热层，绝热层的材料种类是多样的，绝热层厚度大于100mm。

各级蓄热单元中填充的相变材料是填充至密闭的蓄热单元壳内，相变材料为金属泡沫复合材料，在凝固时相变材料占空隙部分的体积比小于90％。

图4给出了采用金属泡沫的复合相变材料和纯相变材料的蓄热能力对比，从图中可以看出，金属泡沫的存在使得整体温度保持在较低的水平，也可以较快的完成蓄热过程，这证明金属泡沫相变复合材料具有较好的温控能力和蓄热速率。放热过程是蓄热的反过程，金属泡沫对放热过程的影响规律与蓄热过程是类似的，可以有效改善热能释放速率。在放热管和吸热管位于蓄热单元处的管段内烧结金属泡沫，可以大幅减小管内的烧结热阻，因此本发明具有良好的传热性能，换热管的管径较小。此外，储能装置是紧凑式的一体化装置，减少了复杂的中间管道和连接件将蓄热模块和放热模块集合在一起，整个装置是可移动的，蓄热和放热过程可以同时进行，也可以交错进行，而且各级放热过程相互之间没有影响，如果同时进行，热损失较小，蓄热系统可以减小由于放热流体和吸热流体由于温差过大导致的换热装置热应力，蓄热放热一体化装置的使用具有很大方便性。总之，本发明根据国际前沿的热储能理论和强化传热理论，提出的采用金属泡沫的蓄热放热一体化紧凑装置具有传热效能高、蓄热放热速率快、热能利用率高、热能品质分级利用、结构简单紧凑、可设计性强、使用方便等优点。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (10)

1.一种采用金属泡沫的梯级相变蓄热放热一体化装置，其特征在于：包括壳体(A)、放热管部分(B)、n级相变材料蓄热单元(C)、n级吸热管部分(D)、n-1个隔档(E)；

放热管部分水平布置在壳体内，放热管两端穿出壳体，放热管部分包括多个前后并列排布放热管，n级相变材料蓄热单元沿放热管内介质的流动方向依次排布在壳体内，相邻两级相变材料蓄热单元之间通过隔档间隔，放热管内设置有n级放热管金属泡沫，各级放热管金属泡沫在放热管内的位置位于相应的相变材料蓄热单元内，每个放热管的外围沿放热管内介质的流动方向依次布置有n级吸热管部分，各级吸热管的水平部分均插装在相应的相变材料蓄热单元内，各级吸热管的水平部分内部设置有吸热管金属泡沫，各级吸热管的竖直部分穿出壳体置于外部，n为大于2的自然数。

2.根据权利要求1所述的一种采用金属泡沫的梯级相变蓄热放热一体化装置，其特征在于：所述隔档采用绝热材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的一种采用金属泡沫的梯级相变蓄热放热一体化装置，其特征在于：在各级相变材料蓄热单元处的放热管段内充有金属泡沫，在各个隔档处的放热管段无金属泡沫，放热管金属泡沫段管壁采用铜或铝制成，无金属泡沫管段采用不锈钢制成，放热管的金属泡沫管段和无金属泡沫管段采用焊接方式连接。

4.根据权利要求3所述的一种采用金属泡沫的梯级相变蓄热放热一体化装置，其特征在于：放热管贯穿于每一级相变材料蓄热单元中，沿着放热流体流动方向各级相变材料蓄热单元的相变材料熔点逐渐降低。

5.根据权利要求1所述的一种采用金属泡沫的梯级相变蓄热放热一体化装置，其特征在于：所有放热管是并联的，每一级相变材料蓄热单元中的数根吸热管也是并联的，吸热管对称的分布在放热管两侧。

6.根据权利要求5所述的一种采用金属泡沫的梯级相变蓄热放热一体化装置，其特征在于：吸热管内的吸热流体的流动方向与放热管内放热流体的流动方向是相反的。

7.根据权利要求1所述的一种采用金属泡沫的梯级相变蓄热放热一体化装置，其特征在于：金属泡沫孔隙率范围0.7～0.99，孔密度范围3PPI～300PPI，金属泡沫材料为铜、铝、镍、铁金属及其合金。

8.根据权利要求7所述的一种采用金属泡沫的梯级相变蓄热放热一体化装置，其特征在于：放热管和放热管金属泡沫接触的地方采用烧结方式进行连接，吸热管与吸热管金属泡沫接触的地方也采用烧结方式进行连接。

9.根据权利要求1所述的一种采用金属泡沫的梯级相变蓄热放热一体化装置，其特征在于：壳体外面包覆一层绝热层，绝热层厚度大于100mm。

10.根据权利要求8所述的一种采用金属泡沫的梯级相变蓄热放热一体化装置，其特征在于：各级蓄热单元中填充的相变材料是填充至密闭的蓄热单元壳内，相变材料为金属泡沫复合材料，在凝固时相变材料占空隙部分的体积比小于90％。