CN104596335A - 一种脉动热管蓄热装置及其热循环方法 - Google Patents

一种脉动热管蓄热装置及其热循环方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种脉动热管蓄热装置及其热循环方法，蓄热装置包括壳体、蓄热室和脉动热管，所述蓄热室设于所述壳体内，所述壳体和所述蓄热室的外壁之间设有保温层，至少一组所述脉动热管置于所述蓄热室，所述蓄热室内设有冷凝单元和蒸发单元，所述冷凝单元和所述蒸发单元通过挡板隔开。通过将脉动热管技术应用于蓄热器中，利用脉动热管内部工作工质的蒸发与冷凝实现热量的吸收与储存，将废热中的能量有效地储存并转移到需要热量的冷流体中。

Description

一种脉动热管蓄热装置及其热循环方法
技术领域
本发明涉及热能储存与释放技术领域，具体涉及一种脉动热管蓄热装置及其热循环方法。
背景技术
在能源需求不断扩大以及化石能源不断减少的大背景下，新能源、可再生能源等越来越受到重视，新的节能技术也不断得到推广。然而在工业及民用领域，仍然有很多废热、余热不能及时得以利用而排放，造成能源的浪费和废热对环境的污染，能源的有效储存对于提高能源的利用率和减少环境污染具有重要意义。目前的蓄热装置存在蓄热量小、蓄热器体积大以及储热与放热不稳定等方面的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种脉动热管蓄热装置及其热循环方法，通过将脉动热管技术应用于蓄热器中，利用脉动热管内部工作工质的蒸发与冷凝实现热量的吸收与储存。
本发明采用的技术方案具体为：
一种脉动热管蓄热装置，包括壳体、蓄热室和脉动热管，所述蓄热室设于所述壳体内，所述壳体和所述蓄热室的外壁之间设有保温层，至少一组所述脉动热管置于所述蓄热室，所述蓄热室内设有冷凝单元和蒸发单元，所述冷凝单元和所述蒸发单元通过挡板隔开。
在上述脉动热管蓄热装置中，所述冷凝单元包括冷流体管道和相变材料，所述冷流体管道置于所述蓄热室，所述冷流体管道内注有冷流体，所述相变材料填充于所述冷凝单元，所述冷流体管道的两端设有冷流体进口和冷流体出口，所述冷流体进口和所述冷流体出口设于所述冷凝单元所在的蓄热室壁，所述脉动热管的冷凝端置于所述相变材料。
在上述脉动热管蓄热装置中，所述蒸发单元包括折流板和热流体，所述热流体填充于所述蒸发单元，若干个所述折流板形成的通道为热流体通道，所述热流体通道的两端设有热流体进口和热流体出口，所述热流体进口和所述热流体出口设于所述冷凝单元所在的蓄热室壁，所述脉动热管的蒸发端置于所述热流体。
在上述脉动热管蓄热装置中，所述蓄热室的外壁为波纹板。
在上述脉动热管蓄热装置中，每组所述脉动热管包括毛细管和工作工质，所述工作工质充注于所述毛细管内，每组所述脉动热管包括毛细管和工作工质，所述工作工质充注于所述毛细管内；所述毛细管由竖向通道和横向弯管首尾相连而成多弯闭合回路，所述竖向通道的个数为5-50个。
在上述脉动热管蓄热装置中，所述毛细管的内径为2-3mm。
在上述脉动热管蓄热装置中，所述毛细管上设有若干个肋片。
一种脉动热管蓄热装置的热循环方法，包括释放热量的过程和能量再利用的过程，其中：
当有可以利用的热流体热量时，热流体流经热流体通道释放热量，释放热量的过程具体为：脉动热管的蒸发端置于热流体通道中，脉动热管内的工作工质吸收热流体的热量后发生相变，以气塞或者液塞的形式向脉动热管的冷凝端流动，在冷凝端将热量释放于相变材料中，释放热量后的工作工质相变冷凝为液体，以液塞或者液膜的形式返回脉动热管的蒸发端，如此循环，实现热量的传递；
相变材料吸收热量后，达到熔点发生相变，不断将热量储存起来，在热量储存的状态下，当没有可以利用的热流体热量时，可以对储存的能量进行再利用，能量再利用的过程为：在冷流体流经蓄热室时，冷流体通过第一流体进口的经冷流体管道流出冷流体出口，沿途吸收相变材料中储存的能量，对冷流体进行加热，使其温度升高，如此循环，实现热量的传递。
在上述脉动热管蓄热装置的热循环方法中，所述冷流体为气体或者液体，所述热流体为气体或者液体。
在上述脉动热管蓄热装置的热循环方法中，所述相变材料的相变温度低于所述热流体的相变温度。
本发明产生的有益效果是：
本发明的脉动热管蓄热装置将脉动热管技术应用于蓄热装置中，利用脉动热管内部工作工质的蒸发与冷凝，实现了热量的吸收与储存，将吸收的热流体中的热量释放并储存于相变材料中，将储存于相变材料中的热量释放于冷流体中，实现了热量从热流体到冷流体的转移，有效地将废热中的能量储存并转移到需要热量的流体中。该脉动热管蓄热装置不仅结构简单，且脉动热管的运行不需要输入外界动力的输入，具有蓄热能流密度大、效率高以及运行稳定可靠的明显优点。
附图说明
当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明一种脉动热管蓄热装置的结构示意图；
图2为本发明一种脉动热管蓄热装置的冷流体管道的结构示意图。
图中：1、冷流体进口 2、壳体 3、波纹板 4、相变材料 5、挡板 6、折流板 7、热流体进口 8、冷流体出口 9、热流体出口10、脉动热管 11、冷流体管道 12、保温层 13、蓄热室 14、热流体。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
如图1所示的一种脉动热管蓄热装置，包括壳体2、蓄热室13和脉动热管10，蓄热室13设于壳体2内，壳体2和蓄热室13的外壁之间设有保温层12，至少一组脉动热管10置于蓄热室1，蓄热室13内设有冷凝单元和蒸发单元，冷凝单元和蒸发单元通过挡板5隔开。
冷凝单元包括冷流体管道11和相变材料4，冷流体管道11置于蓄热室13，冷流体管道11内注有冷流体，相变材料4填充于冷凝单元，如图2所示，冷流体管道11的两端设有冷流体进口1和冷流体出口8，冷流体进口1和冷流体出口8设于冷凝单元所在的蓄热室壁，脉动热管10的冷凝端置于相变材料4。
蒸发单元包括折流板6和热流体14，热流体14填充于蒸发单元，若干个折流板形成的通道为热流体通道，热流体通道的两端设有热流体进口7和热流体出口9，热流体进口7和热流体出口9设于蒸发单元所在的蓄热室外壁上，脉动热管10的蒸发端置于热流体14，折流板6能够实现对热流体的扰动作用，强化传热。
蓄热室13的外壁优选为波纹板3，用以承受相变材料在相变过程中产生的体积变化。
每组脉动热管10包括毛细管和工作工质，工作工质充注于毛细管内，毛细管的内径优选为2-3mm，毛细管为由竖向通道和横向弯管首尾相连构成的多弯折闭合回路型的铜管或者不锈钢管，脉动热管10设有5-50个竖向通道，充注工作工质前需要先对脉动热管10进行抽真空，本发明中，应保证工作工质的充液率为50-70％，工作工质的种类需根据热流体14的温度进行选择设计。为了增加脉动热管10的换热面积，脉动热管10的毛细管上还可以设有若干个肋片。
冷流体和热流体14均为气体或者液体，相变材料4的选取应根据热流体温度进行选择设计，相变材料4的相变温度低于热流体14的相变温度。
当有废热存在时，为避免能量的浪费，高温的热流体14需要蓄热储存，当有可以利用的热流体14热量时，热流体14流经热流体通道释放热量，释放热量的过程具体为：
脉动热管的蒸发端置于热流体通道中，脉动热管内的工作工质吸收热流体14的热量后发生相变，以气塞或者液塞的形式向脉动热管的冷凝端流动，在冷凝端将热量释放于相变材料14中，释放热量后的工作工质相变冷凝为液体，以液塞或者液膜的形式返回脉动热管的蒸发端，如此循环，实现热量的传递；在热流体4的热能释放过程中，实现了对相变材料4(即蓄热材料)的加热。
相变材料4吸收热量后，达到一定温度(熔点)发生相变，不断将热量储存起来，在热量储存的状态下，当无可以利用的热流体14热量时，在冷流体流经蓄热室13时，冷流体通过第一流体进口1的经冷流体管道11流出冷流体出口8，沿途吸收相变材料4中储存的能量，对冷流体进行加热，使其温度升高，如此循环，实现热量的传递，在相变材料4的热能释放过程中，实现了对冷流体的加热。
如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，显然，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉动热管蓄热装置，其特征在于，包括壳体、蓄热室和脉动热管，所述蓄热室设于所述壳体内，所述壳体和所述蓄热室的外壁之间设有保温层，至少一组所述脉动热管置于所述蓄热室，所述蓄热室内设有冷凝单元和蒸发单元，所述冷凝单元和所述蒸发单元通过挡板隔开。
2.根据权利要求1所述的脉动热管蓄热装置，其特征在于，所述冷凝单元包括冷流体管道和相变材料，所述冷流体管道置于所述蓄热室，所述冷流体管道内注有冷流体，所述相变材料填充于所述冷凝单元，所述冷流体管道的两端设有冷流体进口和冷流体出口，所述冷流体进口和所述冷流体出口设于所述冷凝单元所在的蓄热室壁，所述脉动热管的冷凝端置于所述相变材料。
3.根据权利要求1所述的脉动热管蓄热装置，其特征在于，所述蒸发单元包括折流板和热流体，所述热流体填充于所述蒸发单元，若干个所述折流板形成的通道为热流体通道，所述热流体通道的两端设有热流体进口和热流体出口，所述热流体进口和所述热流体出口设于所述冷凝单元所在的蓄热室壁，所述脉动热管的蒸发端置于所述热流体。
4.根据权利要求1所述的脉动热管蓄热装置，其特征在于，所述蓄热室的外壁为波纹板。
5.根据权利要求1所述的脉动热管蓄热装置，其特征在于，每组所述脉动热管包括毛细管和工作工质，所述工作工质充注于所述毛细管内；所述毛细管由竖向通道和横向弯管首尾相连而成多弯闭合回路，所述竖向通道的个数为5-50个。
6.根据权利要求5所述的脉动热管蓄热装置，其特征在于，所述毛细管的内径为2-3mm。
7.根据权利要求5所述的脉动热管蓄热装置，其特征在于，所述脉动热管的毛细管上设有若干个肋片。
8.一种脉动热管蓄热装置的热循环方法，其特征在于，包括释放热量的过程和能量再利用的过程，其中：
当有可以利用的热流体热量时，热流体流经热流体通道释放热量，释放热量的过程具体为：
脉动热管的蒸发端置于热流体通道中，脉动热管内的工作工质吸收热流体的热量后发生相变，以气塞或者液塞的形式向脉动热管的冷凝端流动，在冷凝端将热量释放于相变材料中，释放热量后的工作工质相变冷凝为液体，以液塞或者液膜的形式返回脉动热管的蒸发端，如此循环，实现热量的传递；
相变材料吸收热量后，达到熔点发生相变，不断将热量储存起来，在热量储存的状态下，当没有可以利用的热流体热量时，可以对储存的能量进行再利用，能量再利用的过程为：在冷流体流经蓄热室时，冷流体通过冷流体进口经冷流体管道流出冷流体出口，沿途吸收相变材料中储存的能量，对冷流体进行加热，使其温度升高，如此循环，实现热量的传递。
9.根据权利要求8所述的脉动热管蓄热装置的热循环方法，其特征在于，所述冷流体为气体或者液体，所述热流体为气体或者液体。
10.根据权利要求8所述的脉动热管蓄热装置的热循环方法，其特征在于，所述相变材料的相变温度低于所述热流体的温度。
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