CN104718422A - 用于储热系统的热交换器 - Google Patents

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Abstract

一种储热系统，包括壳体、管和环绕所述管的相变材料，热传递流体将在所述管内循环，与相变材料进行热交换的翅片被安装到所述管的外表面上，所述储热系统还包括由导热材料制成的围绕所述管布置的至少一个插入件(10)，所述插入件(10)包括至少一个外罩(9)以便至少部分地保持所述管，所述插入件(10)包括由导热材料制成的分支(12，16)组件，以便形成通过所述相变材料分布热和收集热的网络。

Description

用于储热系统的热交换器
技术领域
本发明涉及使用一种相变材料的储热系统的热交换器。
背景技术
聚光太阳热技术(Concentrating thermal solar technology)在于使用太阳辐射来对直接或间接地充当热力循环中的热源的流体进行加热。聚光或多或少地导致高温，使得或多或少地取得良好地热力转换效率。
为了使聚光太阳能装置对于发电更具吸引力，就要求高温储热系统将过剩的热能储存起来并且例如当光照减少时可利用这些热能。
目前已研发了太阳能直接蒸汽发电装置(Direct steam generation solarpower)，其产生的蒸汽被输送至涡轮机并且借此发电。当产生的蒸汽流量多于标称的涡轮机流量时，过剩量的蒸汽被储存在储热系统中。当产生的蒸汽流量少于标称的涡轮机流量，蒸汽被从储存装置中取出以供给涡轮机。
储热系统看起来尤其在意利用相变材料来储存热量以及将该热量从储存装置中取出。此处考虑的直接储存系统包括：管束和穿过相变材料的管，热传递流体在所述管束中循环，潜热在热输送流体和相变材料之间交换。管配置有翅片，以便增大交换表面区域。
因为能量以潜热的形式储存在相变材料中，相变材料能够在几乎恒定的温度下对大量能量进行交换。这在需要储存热输送流体(例如，水)的潜能时尤其重要，因为在相似的温度下发生相变的两种流体之间的热交换能够显著增加储存周期的效率。
相变材料所具有的缺点在于具有不良的热传导系数，例如在NaNO3的情况下，平均的热传导系数为大约0.5W/mK，此值为典型的热传导不良材料或甚至绝热材料。
相变材料的低的热传导系数是对交换器的成本和性能产生主要影响的因素，因为热输送流体和相变材料之间大多数热交换的主要通过固相中的传导进行，这意味着相变材料的最大厚度相当小以避免减小交换效率；对于NaNO3而言的最大厚度为大约10mm到20mm。对于这种数量级的厚度，如果相变材料将在纯态(pure state)下被使用，则交换器必须具有非常大的交换区域。
在具有相变材料的储存系统的情况下，热输送流体处于高压下。因此，出于成本价格的原因，优选地减少交换管的数量，这与大的热交换表面区域的使用正相反。
已有的建议是，可将金属结构散布在相变材料中以改善相变材料的热传导性。但是产生了热循环下金属结构分布稳定性的问题，并且尤其是控制相变材料基体(matrix)和热输送流体管之间的热接触的问题。
翅片被添加到管的外表面上，以便增加管和相变材料之间的热交换区域。使用了两种几何结构的翅片，即，径向延伸的翅片以及沿着管纵向延伸的翅片。
同样已经观察到钢管和铝制翅片的制造在技术上是合适的，因为确保了对在管中循环的热输送流体的高压的抗性并且同时提供了比全部为钢管和钢翅片更低的成本价格。翅片于是被添加到管上，必须取得良好的接触以获得高效的热交换。另一方面，由于使用了具有显著不同热膨胀系数的两种材料，使得这两种材料之间存在不同程度的膨胀。
此外，相变材料在相变期间的体积变化对翅片具有机械作用力。对于NaNO3，其体积变化为大约11％。
不同的膨胀效果和相变材料的体积变化可对管和翅片之间的热接触的稳定性以及组件的热机械耐用性(thermomechanical durability)造成主要影响。
如上所述，存在纵向翅片，在热交换器中应用相变材料是非常有用的，因为相变材料能够允许在相变之后进行对相变材料的体积变化的更为简单的补偿。
管通常卷曲(crimped)在形成纵向翅片的挤制铝材(extruded aluminium)的内部。这种结构对两种材料之间的不同的热膨胀效果非常敏感。具有纵向翅片的管的寿命也随之缩短。
例如，在管具有径向翅片的情况下，所述翅片可通过橄榄切割(olive-cutting)卷曲到管上，或可径向挤压在管上，这些管在工作温度方面具有限制。
安装有径向翅片的管，所述径向翅片实际上围绕管螺旋缠绕并且嵌入在管的基部中，并且这些翅片被称为G型翅片。这种结构允许使用高的工作温度，例如高至400-450℃，并且减小了分离的风险。另一方面，限制了翅片的外径和管的直径的比值，这导致使用大量的管来取得足够的交换区域，因此成本价格很高。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种用于储热系统的热交换器，该热交换器提供了高温下的机械强度并且具有比现有储存系统更低的成本价格。
本发明的目的可通过下述的热交换器实现，所述热交换器包括储液器以及至少一个插入件，至少一根安装有翅片的管穿过所述储液器，热传递流体将在所述管内循环，所述至少一个插入件界定出用于所述管的外壳，使得安装有翅片的管以具有间隙的方式安装到所述外壳中，所述插入件形成提供热传导和热收集的网络。
在一个特定示例中，热交换器的储液器将含有相变材料，使得插入件形成的网络能够传导和收集位于两个管之间的相变材料中的热量。
在一个示例性实施例中，插入件被构造成与多个相邻插入件相联合并限定用于管的外壳。
在另一示例性实施例中，每个插入件包括用于管的外壳。因此，每个插入件完全环绕管。
换言之，本发明应用了位于管之间并围绕所述管的热传导元件，所述热传导元件增加了管和相变材料之间的热交换区域并且增加相变材料的等价热传导系数。传导元件具有大的表面面积，并且对固定至管的翅片加以延长但至少在正常工作期间不与管发生机械接触。
此外，这些传导元件分布遍及位于管之间的相变材料，并且传导元件因此可被认为在相变材料内添加了离散分布的热传导材料。
在一个特别有趣的实例中，安装至管的翅片是径向的并且插入件形成纵向翅片。首先，本发明通过在管之间使用增加热交换区域的插入件克服了径向翅片直径小的缺陷。其次，通过使纵向翅片与管机械地独立，本发明补偿了具有纵向翅片的管对不同膨胀的差的抵抗特性。此外，插入件对相变材料在发生相变之后的体积变化提供更为简单的补偿。
此外，因为插入件界定用于管的外罩，所以它们还形成用于管的引导器件，从而简化了结构并降低了成本。
更有利地，管为安装有G型翅片的管，具有极好地抵抗管和翅片之间的不同的膨胀的特性。
因为这种管的制造成本低，所以系统的成本也随之降低。
另外，本发明的主题为一种用于储热系统的热交换器，包括：壳体以及至少一根管，热传递流体在所述管内循环，所述管提供有管的外表面，热交换翅片安装在所述外表面上，所述热交换器还包括至少一个由导热材料制成的围绕所述管布置的插入件，所述插入件包括至少一个外罩以便以具有间隙的方式至少部分地容置具有翅片的所述管，所述插入部包括由导热材料制成的分支组件，以便形成热分布和热收集的网络。
优选地，分支组件包括围绕管径向延伸的分支。
所述管可具有一纵向轴线，则所述分支可沿着平行于所述管的所述轴线的平面延伸。
有利地，所述插入件呈大致圆筒状的形状，具有与被其环绕的管的轴线一致的轴线。
在一个实施例中，所述插入件可被制成为一体。
优选地，所述插入件包括围绕其外周的定位装置，其与相邻插入件的定位装置相配合。
在另一实施例中，所述插入件包括多个插入部分。所述插入件于是可例如包括六个插入部分，每个插入部分参与界定三个所述外罩，所述插入部分在抵靠三个相邻插入件的平面中起作用。
在一个示例性实施例中，每个所述插入部分大致为棱柱状，其边缘是凹入的以呈现形成外罩的壁的一部分的凹状轮廓。
优选地，所述分支安装有翅片。
优选地，管的翅片以大致横向于所述管的纵向轴线的方式延伸。同样优选地，所述管的翅片为G型翅片。
根据本发明的一个特征，所述插入件或插入部分通过挤压制成。例如，所述插入件或插入部分可由铝制成。
对于管和翅片而言，管可由钢制成并且安装到所述管上的翅片可由铝制成。
优选地，热交换器包括多个平行的管，所述多个平行的管被安装到多个插入件或插入件组成部分中。
本发明的另一主题为一种储热系统，其包括根据本发明的热交换器和相变材料，所述相变材料被包含在壳体中，环绕并接触所述至少一根管和所述至少一个插入件。所述相变材料可为NaNO3、石蜡或水。
本发明的另一主题为一种聚光太阳能发电装置，包括太阳能场和至少一个根据本发明的储热系统，所述热传递流体在所述太阳能场内被加热，所述储热系统被连接至所述太阳能场的出口。
所述太阳能发电装置可例如为太阳能直接蒸汽发电装置，所述太阳能场产生蒸汽形式的热传递流体。
附图说明
在阅读以下说明和附图之后将更好地理解本发明，在附图中：
图1为根据一个示例性实施例的一组插入件的俯视图；
图2A为图1中的组件的插入件的以单独的方式示出的俯视图；
图2B为图2A中的插入件的透视图；
图3为根据另一示例性实施例的一组插入件的俯视图；
图4为图3中的组件的插入件的以单独的方式示出的俯视图；
图5示意地示出包含图1中的插入件的储热系统中含有的相变材料的熔化前缘的变化；
图6为在包括图1中的插入件的储热系统的情况下示出流体温度与相变温度之间的温度差值的关于时间的曲线图；
图7为包括图1中的插入件的储热系统一个示例性实施例的横截面视图。
具体实施方式
图7示意性地示出根据本发明的储热系统的示例性实施例。
该储热系统包括热交换器以及相变材料(针对储存潜热的情况)或不发生相变的热输送流体(储存通过显热实现)。
热交换器包括具有纵向轴线X的圆筒状壳体2，管4穿过所述圆筒状壳体2并以平行于纵向轴线X的方式延伸并且连接至热传递流体循环回路的入口和出口。所述圆筒状壳体2设计成被相变材料6填充，相变材料6环绕并且接触管4的外表面。
热传递流体例如可为由太阳能直接蒸汽发电装置产生的蒸汽形态的水，热传递流体将其热量传递到相变材料，或待转变成蒸汽以供给到涡轮机的液体形态的水，在此情况下相变材料将热量传递到热传递流体，热传递流体可以是气体或液体。
用于太阳能发电装置的合适的相变材料的相变温度在250-350℃温度范围内，这一温度范围是聚光太阳能发电装置的典型的工作温度范围。例如，它们可以是纯盐或盐的混合物。硝酸钠(NaNO3)为形成这一族系的一部分的纯盐，并且硝酸钠具有307℃的相变温度。当工作温度较低时，还可设想使用石蜡或水作为相变材料。
在这一示例中，在管中循环的热传递流体一旦穿过相变材料，在穿过的过程中就会发生热交换。热传递流体在相变材料中循环多次，并且在多次穿过过程中进行热交换的储存系统并未脱出本发明的框架。此外，管可被水平地布置和/或者圆筒状壳体的轴线可被水平地布置。储液器还可以是任何其它形状，例如为呈平行六面体的形状。
管4安装有翅片10，所述翅片10在所示的示例中为径向翅片。翅片可单独地制成并且安装到管的外表面，或翅片与管一体制成。
此外，热交换器包括一个或多个热传导插入件10，其被布置在管4之间并且围绕管4以形成穿过相变材料6的体积的热传导网络。插入件10界定出用于管的纵向外罩9。
安装有翅片7的管4以具有间隙的方式容置到由插入件10界定的外罩中，以便能够进行热膨胀。
图1和图2示出能够使用在图7中的储存系统中的插入件的示例性实施例的俯视图。
在这一示例性实施例中，插入件10包括多个插入部分11，所述多个插入部分11在组装后可形成插入件10。
所看到的插入部分11横断面的总体外部轮廓呈等边三角形的形式，其顶点以圆弧来倒圆角，使得插入部分由三个长度相同的直边12形成，并且直边12之间的圆角区域为凹形圆弧14(以虚线示出)形式的表面，所述圆角区域在所示的示例中并不以实体的形式存在。于是，连接区域14是敞开的。插入部分包括下文中将描述的内部分支16。分支16具有位于连接区域处的端部边缘。
实际上，与管的交界区域14是敞开的，使得能够实现插入部分的内部空间和插入部分的外部空间之间的直接连通，并且因此有利地对相变材料的体积变化所致的机械应力进行简单的补偿。
在图1中，六个插入部分11以边缘对边缘的形式进行组装，从而形成六边形，其中心部分界定出圆筒状外壳，所述圆筒状外壳具有圆形截面以沿着管4延伸。在所示的示例性实施例中，每个插入部分11参与了对三个外罩的界定。每个凹形圆弧14界定外罩9的圆周的1/6。
在图1和图2所示的视图中，插入部分11沿着垂直于纸面的方向延伸。正如能够在图2B的透视图中看出的，插入件10的每一部分于是近似呈具有三角形基部的棱柱的形状。
插入部分11包括由三个直分支16和三个弧形分支18形成的内部结构，所述直分支16与该等边三角形的角平分线重叠并且在该三角形的对称中心处相互连接，所述弧形分支18呈以圆弧14的圆心为圆心的圆弧的形式并且将两个直边12连接。直分支16被连接至弧形分支18。
有利地，在分支18的每一侧上延伸的翅片19进一步增加了热交换区域。
对分支16和18选择如此布置，使得在考虑图1中的插入件的时，分支16从管外罩9的虚拟的壁径向地延伸，并且弧形分支18界定对径向延伸的翅片19加以支撑的外周壳体。因此，通过这种布置，热交换网络被获得，以提供几乎对称的分布并且收集环绕管4并对称地围绕管4的相变材料中的热量。
交换器的外周中的插入件具有合适的形状。
例如，插入件由挤制铝合金制成。所述插入件可在高至大约500℃的温度下使用并且同时维持高的机械强度。
管4例如可由钢制成，并且翅片7由铝制成。翅片沿着管的外表面纵向延伸。有利地，所述翅片为径向翅片，并且更有利地，所述翅片为G型径向翅片。
“径向翅片”意指以横向于管4的纵向轴线的方式延伸的翅片，而不同于平行于管的纵向轴线的方式延伸的纵向翅片。
安装有G型翅片的管例如可以下述方法制造。翅片条带被缠绕在机械加工在管的外表面中的凹槽中并且通过推挤(shouldering)基管中的材料来嵌入在所述凹槽中。于是管被安装有在该管的至少一部分长度上环绕该管的单个螺旋形翅片。这可以在管的高温度下维持最大的热交换。此外，减小了翅片和管之间脱离的风险。这种类型的管对于不同的膨胀不敏感，因为膨胀增加了卷曲并进而增加机械支撑以及热交换。例如，翅片很薄(例如厚度不超过0.5mm)并且具有大约为3.6mm的非常紧密的节距。
图5示出通过图2A中的插入件的储热系统在相变期间熔化前缘(meltingfront)的进程，并且图6图解地示出储热系统在包括图1和图2中的插入件的情况下，管中的流体温度与相变温度之间的温度差ΔT(℃，摄氏度)随着时间(s，秒)的变化。在管中循环的流体的温度是管中的流体的平均温度。
在图5中，用ZL标记的深色区域是相变材料处于液态的区域，并且用ZS标记的浅色区域是相变材料处于固态的区域，熔化前缘FF为区域ZL和区域ZS之间的界线。
在t0+1500s时，区域ZL仅仅覆盖靠近管(所述管位于径向翅片之间)的区域。
在t0+7000s时，区域ZL沿着插入件的结构延伸。熔化前缘沿着插入件的结构的进程可在t0+12000s和t0+14000s时被观察到。插入件对热的传导要好于具有不良热传导系数的相变材料。在t0+14000s时，相变材料的熔化发生于插入件的分支的附近，这说明热通过插入件被传导。
在t0+18000s时，位于插入件内部的区域ZS消失。所有相变材料于是处于液体形态。
图6中的图示在考虑下述情况下绘出，即，所述管的直径为1″1/2(大约38mm)并具有外径为70mm的G型径向翅片，并且管之间的节距为152mm。
图5和图6应用恒定热通量(constant heat flux，即恒定蒸汽流)仿真，其中相变材料为NaNO3。热输送流体交换器在入口处的温度在315-320℃的区间内。
可以看出存在两个平缓区段。第一平缓区段P1对应于熔化前缘位于径向翅片中的阶段。
第二平缓区段P2对应于熔化前缘位于插入件中的阶段(t0+7000s)。P1和P2之间的高梯度阶段对应于穿越径向翅片和插入件之间的区域，由于热阻在管-插入件空隙处集中在相变材料层中而要求显著的温度增加。
在很长的时段里存在第二平缓区段P2表明：使用根据本发明的插入件使得能够在储存期的大部分时间里获得恒定的热性能，实现在管中循环的流体向相变材料的高效热传递(并且在排热阶段相反)，这对于动力循环(power loop)的工作尤为有利。
现在已经描述了系统中的储热阶段。当需要补充热量时(例如阳光减少的情况)，热量被从储存装置中移出。为此，在管4中循环的热传递流体处于比相变材料的相变温度更低的温度，插入件于是收集储存在相变材料中的热量以将该热量传导至管和热传递流体。通过将热传递至热传递流体，围绕管的相变材料首先从液态变化成固态，并且靠近分支的材料随后从液态变化成固态。随后，位于插入件的分支之间的材料通过传导作用而从液态变换成固态。
通过本发明，由于插入件和带有翅片的管之间的良好的热接触不再是必须的，因而使得组件被简化，带有翅片的管-插入件交界面位于热通量远低于管外表面处区域的区域中。因此，不需要维持快速的热交换。基准尺寸的大约几个百分点的间隔是可接受的。对于具有直径为70mm的外翅片并且管节距为152mm的管-插入件系统而言，所必须的间隔为大约1mm。
使用具有纵向结构的插入件，能够使得相变材料的体积变化不在结构上施加不能容忍的机械应力，并且所谓的径向翅片(尤其是G型翅片)的使用能够有效地控制具有高的热通量的关键区域。
此外，插入件的存在可优化热交换器管的数量并且独立于带有翅片的管的尺寸进行布置，并且同时根据相变前缘在交换器中的进程速率优化性能曲线。
使用插入件的优点在于为交换器束的管提供自然的引导系统(naturalguidance system)并且进而简化其组件以及减少了成本。
此外，使用根据本发明的插入件能够限定外罩9(外罩9位于安装有翅片的管和插入件10之间)中的第一区域和外罩9外部的第二区域，于是形成“双速”储热系统：
-第一区域于是用于在具有少量可用能量时进行短期充能和放能，例如为冬天期间当热流体源由太阳能装置构成时。它们是最高效的区域。事实上，优点在于，能够以较好的效率将小量的能量储存在交换器的一部分中。此外，具有较高效率的区域使得能够更有效地应对暂时多云天气。
-第二区域用于高于特定阈值的充能并且在整体上有助于优化交换器的服务/成本比值。通过寻找优化服务/成本比值，对应于第二平缓区段的该区域能够以独立于高效区域的方式被优化并且适用于各种情况，所述服务/成本比值取决于储存能力和所储存的能量使用场景。
图3和图4示出插入件10′的另一示例。在这一示例性实施例中，界定用于管的外罩9的插入件10′被制成为一体。
插入件包括圆筒状壁20和径向分支22，所述圆筒状壁20与外罩的纵向轴线同轴，所述径向分支22在外罩和圆筒状壁20之间延伸。该插入件包括第一类型径向分支24、第二类型径向分支26和第三类型径向分支28，所述第一类型径向分支24从圆筒状壁20向内延伸，所述第二类型径向分支26从圆筒状壁20向外延伸，所述第三类型径向分支28从圆筒状壁20向外延伸。有利地，翅片23被设置在分支20、22、24、26、28上。
第一类型分支24在其自由端处包括两个倾斜面24.1，每一个倾斜面将进入与另外两个插入件的两个第一类型分支的倾斜面抵靠的平面。
第二类型分支26在其自由端处包括平坦面26.1，平坦面26.1将进入与另一个插入件的第二类型分支的平坦面抵靠的平面。
第三类型分支28在其自由端处包括凹形或凸形连接器28.1，其将被用于保持另外的插入件的第三类型分支的凸形或凹形连接器。
在所示的示例中，每个插入件10′包括单个第三类型分支28。
在热交换器的组装期间，第一类型分支24、第二类型分支26和第三类型分支28相互配合，以相对于彼此对插入件进行自定位。
应理解的是，上述的各种类型的分支24、26、28的数量和形状是非限制性的。还可考虑用其它形状实施自定位功能。
在管束被装配之前，图3和图4中的插入件围绕管安装。
这种插入件所具有的优点在于，其赋予了对装有翅片的管和插入件之间的间距的更好的控制。此外，待装配的部件的数量显著少于图1和图2中的示例性实施例。
这些示例是在考虑具有圆形横截面的管的情况下描述的。但是本发明可被应用到具有任何截面形状(例如方形或六边形)的管道，并且插入件或插入部分的形状于是被改变以适应于管的形状。
还应理解的是，上述的两个示例性插入件是非限制性的，并且本发明被应用以便使用布置在界定热分布的管之间的热传导插入件和在相变材料内围绕所述管的热收集网络。
例如，为了便于操纵，图3中的插入件可由两部分形成，每一部分包括管外罩的一半，或图1中的插入件可包括更少的插入部分，例如包括三个插入部分。
还可设想的是，将图3中一体式插入件与由两个或更多个插入部分形成的插入件相联接。
此外，例如可设想包括多个外罩的插入件，或甚至可设想被制成一体的用于所有管的单个插入件。在后一种情况下，插入件将被称为“金属格架”(metalgrillage)。
插入件(并且尤其最好是铝制插入件)可在很长的长度上或甚至管的整个长度上挤制，但是可存在形状公差的逐渐降低。为了克服这一缺点，管插入件组件可有利地通过用于每个管的多个短的叠置插入件模块制成，每个模块具有更高的尺寸精度，从而能够与管更好地相连并且更易于装配。
插入件分支的厚度取决于该分支自身的长度。例如，对于图2A和图4中的翅片直径为70mm的挤制铝材插入件并且管节距为152mm而言，分支厚度大约为1.5-2.5mm。
插入件可由其它材料制成，但是铝提供更好的尺寸灵活性和最好的性能/质量比值。可设想通过多种热传导材料制造插入件。
根据本发明的储热系统尤其适合使用于例如聚光太阳能发电装置，并且甚至更有利地使用于太阳能直接蒸汽发电装置以收集过剩的热量并在蒸汽产量低的时候(例如云经过期间)释放所收集的热量。
根据本发明的储热系统可被使用在要求储热的任何设备中，例如要求从使用蒸汽(steam use)中分离蒸汽产物或相对于使用蒸汽消除蒸汽产物的设备，例如废物焚烧系统的情况。

Claims (20)

1.一种用于储热系统的热交换器，包括：壳体(2)以及至少一个管(4)，热传递流体在所述管(4)内循环，所述管提供有管(4)的外表面，热交换翅片(7)安装在所述外表面上，所述热交换器还包括至少一个由导热材料制成的围绕所述管(4)布置的插入件(10，10′)，所述插入件(10，10′)包括至少一个外罩(9)，以便以具有间隙的方式至少部分地保持具有翅片(7)的所述管(4)，所述插入件(10，10′)包括由导热材料制成的分支组件(14，16，20，22，24，26，28)，以便形成分布热和收集热的网络。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，分支组件(12，16，20，22，24，26，28)包括围绕管径向延伸的分支。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，管(4)具有一纵向轴线，所述分支沿着平行于所述管的所述轴线的平面延伸。
4.根据权利要求1、2或3所述的热交换器，其中，所述插入件呈大致圆筒状的形状，具有与被其环绕的管的轴线一致的轴线。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的热交换器，其中，所述插入件(10′)被制成为一体。
6.根据权利要求5所述的热交换器，其中，所述插入件包括围绕其外周的定位装置(24.1，26.1，28.1)，所述定位装置(24.1，26.1，28.1)与相邻插入件(10′)的定位装置相配合。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的热交换器，其中，所述插入件(10)包括多个插入部分(11)。
8.根据权利要求7所述的热交换器，其中，插入件(10)包括六个插入部分(11)，每个插入部分(11)参与界定三个所述外罩(9)，所述插入部分(11)在抵靠三个相邻插入件(11)的平面中起作用。
9.根据权利要求8所述的热交换器，其中，每个所述插入部分(11)大致为棱柱状，所述棱柱的边缘是凹入的以呈现形成外罩(9)的壁的一部分的凹状轮廓。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的热交换器，其中，分支(12，16，20，22，24，26，28)安装有翅片。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的热交换器，其中，管翅片(7)为以大致横向于所述管的纵向轴线的方式延伸的翅片(7)。
12.根据权利要求11所述的热交换器，其中，所述管(4)的翅片(7)为G型翅片。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的热交换器，其中，所述插入件(10′)或插入部分(11)通过挤压制成。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的热交换器，其中，所述插入件(10′)或插入部分(11)由铝制成。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的热交换器，其中，所述管(4)由钢制成，并且安装到所述管(4)上的翅片(7)由铝制成。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的热交换器，包括安装在多个所述插入件(10′)或多个所述插入件组成部分(11)中的多个平行的管(4)。
17.一种储热系统，包括根据权利要求1至16中任一项所述的热交换器和相变材料(6)，所述相变材料(6)被包含在壳体中，环绕并接触所述至少一个管和所述至少一个插入件。
18.根据权利要求17所述的储热系统，其中，所述相变材料(6)为NaNO3、石蜡或水。
19.一种聚光太阳能发电装置，包括太阳能场和至少一个根据权利要求17或18所述的储热系统，热传递流体在所述太阳能场内被加热，所述储热系统被连接至所述太阳能场的出口。
20.根据权利要求19所述的聚光太阳能发电装置，其中，所述太阳能发电装置是太阳能直接蒸汽发电装置，所述太阳能场产生蒸汽形式的热传递流体。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107346814A (zh) * 2017-08-31 2017-11-14 广东工业大学 一种电池热管理系统
CN109737784A (zh) * 2018-12-18 2019-05-10 东南大学 一种树肋-孔网络相变储能装置
CN112352134A (zh) * 2018-07-11 2021-02-09 林德有限责任公司 温度补偿元件、管和用于制造管的方法
CN114945779A (zh) * 2020-12-09 2022-08-26 弗拉基米尔·瓦列里耶维奇·格里钦 对流器型材

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105115341A (zh) * 2015-09-15 2015-12-02 东南大学 一种相变储能换热器
CN108759536A (zh) * 2018-06-29 2018-11-06 丁玉龙 储能装置
CN112050484B (zh) * 2020-09-15 2021-11-19 华北电力大学（保定） 一种智能太阳储热装置
GB2601995B (en) * 2020-12-08 2023-09-06 Dyson Technology Ltd Heat storage device
FR3118149B1 (fr) 2020-12-23 2023-01-06 Commissariat Energie Atomique Module de stockage thermique a matériau a changement de phase dont la fabrication est simplifiée
WO2022170309A1 (en) * 2021-02-03 2022-08-11 Peli Biothermal Llc Passive thermally controlled condition-in-place shipping container
FR3131772B1 (fr) * 2022-01-07 2023-11-24 Commissariat Energie Atomique Ensemble modulaire de stockage thermique a matériau a changement de phase, dont la fabrication est simplifiée

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4624242A (en) * 1985-08-13 1986-11-25 Examplar Solar heat transfer and storage system
CN2300076Y (zh) * 1996-07-23 1998-12-09 于学顺 带翅体铝制散热器
CN2662186Y (zh) * 2003-11-11 2004-12-08 李仕军 钢管板式散热器的传热外壳
CN101769690A (zh) * 2009-12-18 2010-07-07 山西正和机械制造有限公司 一种模块化不锈钢铝合金散热器及其制法
DE102009057904A1 (de) * 2009-12-11 2011-06-16 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Wärmeübertragungsrohr
DE102010060717A1 (de) * 2010-11-16 2012-05-16 Dieter Girlich Wärmeverteiler und dessen Verwendung

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB847218A (en) * 1956-10-04 1960-09-07 Parsons C A & Co Ltd Improvements in and relating to heat exchangers
FR2953917B1 (fr) * 2009-12-10 2012-01-20 Hutchinson Echangeur thermique interne pour circuit de climatisation de vehicule automobile et un tel circuit
US20110226780A1 (en) * 2010-03-16 2011-09-22 Bell Independent Power Corporation Energy storage vessel, systems, and methods
IT1401296B1 (it) * 2010-06-16 2013-07-18 Unical Ag Spa Tubo in caldaia a tubi di fumo.
DE102011113239A1 (de) * 2011-09-13 2013-03-14 Daimler Ag Wärmetauscher, insbesondere Abgaswärmetauscher für einen Kraftwagen
BRMU9102333U2 (pt) * 2011-12-07 2013-11-12 Whirlpool Sa Câmara refrigerada

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4624242A (en) * 1985-08-13 1986-11-25 Examplar Solar heat transfer and storage system
CN2300076Y (zh) * 1996-07-23 1998-12-09 于学顺 带翅体铝制散热器
CN2662186Y (zh) * 2003-11-11 2004-12-08 李仕军 钢管板式散热器的传热外壳
DE102009057904A1 (de) * 2009-12-11 2011-06-16 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Wärmeübertragungsrohr
CN101769690A (zh) * 2009-12-18 2010-07-07 山西正和机械制造有限公司 一种模块化不锈钢铝合金散热器及其制法
DE102010060717A1 (de) * 2010-11-16 2012-05-16 Dieter Girlich Wärmeverteiler und dessen Verwendung

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HISHAM M. ETTOUNEY等: "Heat transfer enhancement by metal screens and metal spheres in phase change energy storage systems", 《RENEWABLE ENERGY》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107346814A (zh) * 2017-08-31 2017-11-14 广东工业大学 一种电池热管理系统
CN107346814B (zh) * 2017-08-31 2023-10-27 广东工业大学 一种电池热管理系统
CN112352134A (zh) * 2018-07-11 2021-02-09 林德有限责任公司 温度补偿元件、管和用于制造管的方法
CN109737784A (zh) * 2018-12-18 2019-05-10 东南大学 一种树肋-孔网络相变储能装置
CN114945779A (zh) * 2020-12-09 2022-08-26 弗拉基米尔·瓦列里耶维奇·格里钦 对流器型材

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Publication number Publication date
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MA37979B1 (fr) 2016-03-31
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MA20150272A1 (fr) 2015-08-31
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