CN105115338B - 一种相变蓄热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变蓄热装置，包括蓄热器壳体以及置于蓄热器壳体内的换热管道和相变材料，其特征在于：在所述蓄热器壳体内设置有多孔金属骨架，在所述多孔金属骨架沿轴向平行的设置有孔道阵列，所述相变材料位于所述孔道阵列的每个孔道内，所述换热管道沿所述多孔金属骨架轴向间隔的设置在所述孔道阵列内，在每个换热管道周围至少围绕有一圈所述孔道，在所述换热管道的入口设置分流装置，在所述换热管道的出口设置集流装置，在所述换热管道内还设置有三维交叉导流式混沌扰流器。本发明换热管道内设置有三维交叉导流式混沌扰流器，周期交替排列的导流块诱发流体产生混沌对流，能显著的增强流体与管壁换热，此蓄热器将具备优良的蓄热换热能力。

Description

一种相变蓄热装置

技术领域

本发明涉及一种能量存储与释放装置，具体涉及的是一种通过固液相变材料进行蓄热和换热的装置。

背景技术

发展新型高效节能技术已成为工程热物理领域的重要研究课题。在工业余热利用过程中，发展高效蓄热技术是解决能源需求与供给失配矛盾、提高能源利用率的重要技术途径。目前，热量存储方式主要有潜热蓄热、显热蓄热和化学反应蓄热三种类型。潜热蓄热通过相变材料(PCM)的相变过程来实现能量的储存和释放，该类型蓄热方式因相变材料种类多、储能密度大、开发空间大和易于运行控制等优点而成为目前常用的蓄热手段。然而，现有的潜热蓄热结构大多采用的是单管或管束与相变材料在蓄热空间内随机交互布置，并未从管束与相变材料在空间布局方式的角度考虑去改善蓄热器的蓄热、换热能力；并且由于相变材料存在导热系数低的缺点，在相变过程中，随着相变界面由表及里的移动，固化层不断增厚，导致相变材料的热阻逐渐增加，整个蓄热结构的温度均匀性差，影响了相变材料的蓄热能力和蓄热效率。因此，迫切需要寻求一种新型高效的潜热蓄热型的能量存储与释放装置。

发明内容

技术问题：为解决现有的蓄热装置设计上存在的蓄热器温度均匀性差、蓄热密度低、蓄热效率有限等问题，本发明提供了一种通过连续分流、扰流、合流效应使换热管中的热量沿着高导热孔道阵列通道在整个蓄热器空间内快速均匀地分散、传递开来，以增加热流传递过程中的掺混和再分配的相变蓄热装置，进而使整个蓄热装置的温度分布更加均匀，大大提高了蓄热装置的蓄热密度和蓄热效率，使蓄热装置的蓄热、放热过程稳定高效的进行。

技术方案：本发明提供的技术方案如下：

一种相变蓄热装置，包括蓄热器壳体以及置于蓄热器壳体内的换热管道和相变材料，其特征在于：在所述蓄热器壳体内设置有多孔金属骨架，在所述多孔金属骨架沿轴向平行的设置有孔道阵列，所述相变材料位于所述孔道阵列的每个孔道内，所述换热管道沿所述多孔金属骨架轴向间隔的设置在所述孔道阵列内，在每个换热管道周围至少围绕有一圈所述孔道，在所述换热管道的入口设置分流装置，在所述换热管道的出口设置集流装置，在所述换热管道内还设置有三维交叉导流式混沌扰流器。

所述三维交叉导流式混沌扰流器由延所述换热管道轴向间隔设置的混沌单元组成，每个混沌单元包括上导流单元和下导流单元，所述上导流单元和下导流单元分别由上导流块和下导流块组成，每个导流块的导流平面与换热管道轴线的夹角在45°到50°之间，上导流单元的上导流块和下导流单元的下导流块位于管道内的同一侧，上导流单元的下导流块和下导流单元的的上导流块位于管道内的另一侧，上导流单元的上导流块的顶端侧面与上导流单元的下导流块的底面相切，下导流单元的下导流块的顶端侧面与上导流单元的上导流块的底面相切，上导流单元的切面位置和下导流单元的切面位置都偏离管道的中心轴线，且两个切面位置分别位于管道轴线的不同侧。

所述切面位置与管道直径的关系为：0.4≤S/W＜0.5

其中，S为切面与较近的管壁间的径向距离，W为换热管道的直径。

所述导流块为平板翅片，该平板翅片具有两个直角边和一个连接两个直角边的弧形边，其中该弧形边与管道内壁固定。

所述多孔金属骨架为一六棱柱结构，六棱柱沿其轴向方向从上到下通有所述孔道阵列，所述孔道阵列形状与布局方式为蜂巢结构，所述相变材料与金属骨架间对称均匀地布置四根所述换热管道。

所述孔道阵列的布局方式为：所述孔道阵列为平行于所述六棱柱横截面结构任意两对边的七行且对称排列，在第二行和第六行的中间分别设置一根换热管道，在第四行对称的设置有两根换热管道，四根换热管道形成一个菱形分布。孔道截面形状为等大的正六边形，换热管道截面形状为等大的圆形。

在所述的六边形孔道内沿轴向设置有燕尾型微槽道。所谓燕尾型槽道其实就是在孔道内壁上沿孔道轴线方向间隔的设置有多个横截面为倒梯形状的微槽道。

所述相变材料为结晶水和盐类或脂肪酸。

所述换热器壳体外圈包有保温材料。

当孔道内填充液态相变材料时，壁面微槽道可有效提高孔道内相变材料和金属壁面间的换热水平；同时，由燕尾型槽道形成的尖角区域可看作一些外凸的肋片，将进一步增强孔道内的换热能力。

本发明在壳体内设置多孔金属骨架，多孔泡沫金属结构具有导热性能好、比表面积大、比强度高和各向同性等优点。另外，本发明将多孔泡沫金属的孔道分布方式布置成类似于蜂巢结构的分形结构特征，由于仿蜂巢分形结构优良的热质输运特性，此蓄热器将具备优良的蓄热换热能力。

本发明孔道阵列的横截面形状为等大的正六边形，其形状和分布方式类似于自然界中的蜂巢结构：每个孔道都是一个六边形单元，根据几何学中正六边形具有“均匀密铺”任意几何形状表面的特性，因此，仿蜂巢分形结构中的各六边形孔道有效地利用了有限的六棱柱截面面积，合理地分配了相变材料和金属骨架间的构成比例；另外，在均匀密铺相同面积的前提下，正六边形具有最小的网络周长，即仿蜂巢分形金属网状通道具有最短的热流通道总长，这一特点使得换热管中的热量以最快的速度和最短的途径传递到周围的相变材料中，从而使蓄热器性能更加优越。每个六边形单元与其周围六个相同的单元体分别以邻边平行对立布置，各单元体之间邻边边距相同，中间形成了网状金属骨架，以此类推，直至孔道均匀分布于整个六棱柱截面，最后用四根圆形截面换热管道取代适当位置的六边形截面孔道便得到了仿蜂巢分形结构，这种仿蜂巢结构具有节省材料、强度高等优点。其中，在六边形截面孔道中填充有相变材料，而在圆形截面换热管道中通有换热流体，相变材料围绕换热流体均匀布置大大提高了蓄热器的蓄热密度和蓄热能力。由正六边形拓扑而成的仿蜂巢结构具有数学上的分形特征，孔道与换热管道之间形成了网络状的金属骨架，多孔泡沫金属骨架由于具有导热性能好、比表面积大、比强度高、各向同性等优点，可以大大强化蓄热器的径向传热能力；仿蜂巢结构的分形金属网状骨架具有优良的热质输运特性：在仿蜂巢分形金属网状骨架中，网状结构形成地连续的分流、合流效应使原本不在同一通道中的热流在分叉结构中得到了相互接触的机会，有效地平衡了强弱热流之间的配置，增加了热流传递过程中的掺混和再分配，使得换热管道中流体的热量迅速均匀地在整个蓄热结构中传递、分散开来，从而更有效地被周围孔道中的相变材料所吸收；换热流体与相变材料之间产生地良好的热量交互作用，使整个蓄热器的温度分布更加均匀，蓄热密度大大提高，在相同的换热面积下相变材料可吸收更多的热量，从而实现蓄热器高效的储能目的。

金属骨架材料可选用铝、镍、铜及其合金等金属材料。

换热管道在金属骨架和相变材料间均匀对称布置，以保证换热流体的热量在整个蓄热空间充分、均匀传递。为强化管内流体与管壁面的换热，在换热管内设置三维交叉导流式混沌扰流器，该型扰流器由于管道内周期交叉排列的导流块，轴向的压力梯度产生了横向的速度分量，使流场内诱发混沌对流，这种流态增加了流体的扰动与湍动，能显著的强化流体与管壁换热。当流体进入换热管道后，由于前半个混沌单元中上下导流块的作用，一部分流体要绕过上层的导流块，另一部分流体也要绕过下层的导流块，上层流体与下层流体的流动方向不同，形成交叉剪切流，即流体产生了横向的速度分量，流体运动的横向分量在管道的横截面方向对流动介质产生拉伸和折叠，诱发产生混沌对流；当流体经过一个混沌单元的后半个单元时，同样会产生横向的速度分量，且此处流体的横向速度分量流动方向与前半个单元相同，即后半个混合单元对于前半个混沌单元产生的混沌对流作用是同方向的加强；混沌对流能显著地强化管内流体混合与传热，这种流态增加了流体的扰动与湍动，增大了主流区和近壁处流体间的混合，促进流道中冷热流体的热量交换，使流道横截面上的温度分布更加均匀；另外，由于上下导流块的相切面偏离管道轴线，即在管道一个横截面内的速度场不是呈管道轴线中心对称的，同时由于前半个混沌单元和后半个混沌单元导流块间的相切点分别位于管道轴线的两侧，导致上游导流块诱发的流场与下游导流块诱发的流场在各自相应的位置也是不同的，这些不对称性均增强了流体的混沌对流作用；此外，每个导流块都相当于管内的一个翅片，通过与流体在管内产生热量交互作用，将提高流体与管壁的换热性能。

所述的分流装置和集流装置用于控制外界换热流体均匀地流进、流出分布于金属骨架间的换热管道。分流装置和集流装置外端由一根主干通道与外部流体设备连接，另一端由主干通道上均匀分出的四个对称分支通道分别与四根换热管道连接，保证换热流体在各换热管道中均匀分配。

有益效果：本发明涉及的一种具有仿蜂巢分形结构特征的固液相变蓄热器，此结构利用了正六边形“均匀密铺”任意几何形状的特性，合理的分配了相变材料和导热介质的构成比例；六边形孔道内设置有燕尾型轴向微槽道，可大大提高孔道内换热水平；换热管道内设置有三维交叉导流式混沌扰流器，即管道内周期交替排列的导流块诱发流体产生混沌对流，能显著的增强流体与管壁换热。分形金属网状通道连续的分流、合流效应有效地平衡了强弱热流之间的配置，使换热管中的热量快速高效地在整个蓄热空间中分散传递，换热流体与相变材料之间产生较好的热量交互作用，整个蓄热器的温度分布更加均匀，大大地提高了蓄热器的蓄热密度和蓄热效率，从而实现蓄热器高效的储能目的。

附图说明

图1为本发明的蓄热器金属骨架孔道和换热管排布结构示意图；

图2为本发明的蓄热器内部透视图；

图3为本发明的蓄热器整体结构示意图；

图4为本发明换热管道内导流块平面示意图；

图5为本发明换热管道内一个混沌单元结构示意图；

图6为图5的轴向俯视图；

图7为本发明换热管道内混沌扰流装置的立体结构示意图；

图8为本发明换热管道内混沌扰流装置对流体的导流及扰流原理示意图；

图9为本发明相变材料填充孔道内壁燕尾型轴向槽道平面示意图。

图10为本发明相变材料填充孔道内壁燕尾型轴向槽道立体示意图。

图中，1.换热器壳体；2.金属骨架；3.换热管；4.相变材料填充孔道；5.相变蓄热材料；6.混沌扰流装置7.分流装置；8.集流装置；9.保温材料。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图2、图3给出了所述蓄热器的整体结构示意图，一种固液相变蓄热器，由换热器壳体1、金属骨架2、换热管道3、相变材料填充孔道4、相变蓄热材料5、混沌扰流装置6、分流装置7、集流装置8和保温材料9构成。图1给出了蓄热器金属骨架孔道和换热管道排布结构示意图，金属骨架2为一个通有多孔道的六棱柱结构，孔道4按仿蜂巢结构平行排列，其截面形状为正六边形，各六边形孔道均匀密铺了整个蓄热截面，有效地利用了有限的六棱柱截面面积，合理地分配了相变材料和金属骨架间的构成比例；同时，在均匀密铺相同面积的前提下，正六边形具有最小的网络周长，即仿蜂巢分形金属网状通道具有最短的热流通道总长，这使得换热管中的热量以最快的速度和最短的途径传递到周围的相变材料中；孔道内填充相变材料5，孔道4与金属骨架2间对称、均匀地布置四根换热管道3，换热管道内布置有三维交叉导流式混沌扰流器6，通过周期交替排列的导流块诱发流体产生混沌对流以强化流体与管壁的换热；另外，孔道4内壁上设置有燕尾型的轴向微槽道，强化孔道内相变材料和管壁之间的换热；孔道和换热管道的空间布局方式促成了分形网状式的多孔金属骨架，流体的热量通过分形金属网状通道形成的连续分流、合流效应在整个蓄热空间内高效、均匀的传递，大大提高了蓄热器的蓄热效率和蓄热能力。换热管道的两端通过分流装置7和集流装置8与外部流体设备相接，金属骨架外有一换热器壳体1，壳体外包裹有保温材料9。

图4给出了混沌扰流器在管中排布的平面示意图，其是由多个混沌单元组成的扰流通道，其中#1、#2和#n分别指第1、2和第n个混沌单元。图5给出了一个混沌单元结构示意图，混沌单元由管道与4个导流块D1、D2、D3、D4组成，每个导流块与管道轴线的夹角θ在45°到50°之间，导流块形状为带弧度的近三角状平板翅片，其结构及在管道中的分布如图6和图7所示。D1与D2构成了混沌单元的前半个扰流周期，D3与D4构成了混沌单元的后半个扰流周期；其中，D1与D3在管道的上层空间内，而D2与D4在管道的下层空间内，导流块D1与D2、D3与D4分别在管道中心水平面处有一个相切面，且D1与D2的相切面和D3与D4的相切面都偏离管道的中心线，且分别位于管道中心线的不同侧，若换热管道的直径为W，各相切面与较近的管壁距离为S，则0.4≤S/W＜0.5。图8给出了混沌扰流装置对管道中流体的导流及扰流原理示意图，当流体进入换热管道后，首先要经过一个混沌单元的前半个单元，由于上下导流块的作用，一部分流体要绕过上层的导流块D1，另一部分流体也要绕过下层的导流块D2，上层流体与下层流体的流动方向不同，形成交叉剪切流，即流体产生了横向的速度分量，流体运动的横向分量在管道的横截面方向对流动介质产生拉伸和折叠，诱发产生混沌对流；当流体经过一个混沌单元的后半个单元(D3和D4)时，同样会产生横向的速度分量，且此处流体的横向速度分量流动方向与前半个单元相同，即后半个混合单元对于前半个混沌单元产生的混沌对流作用是同方向的加强；混沌对流能显著地强化管内流体混合与传热，这种流态增加了流体的扰动与湍动，增大了主流区和近壁处流体间的混合，促进流道中冷热流体的热量交换，使流道横截面上的温度分布更加均匀；另外，由于S/W≠0.5，即管道横截面内的速度场不是呈管道轴线中心对称的，同时由于前、后两个扰流周期导流块间相切点位置的不同，导致上游导流块D1与D2诱发的流场与下游导流块D3与D4诱发的流场在各自相应的位置也是不同的，这些不对称性均可以对流体介质产生更复杂的变形作用，破坏流场运动的规律性，加大流体的混沌对流作用；同时每个导流块通过与流体在管内产生热量交互作用，将大大提高流体与管壁的换热。

分流装置7和集流装置8用于控制外界换热流体均匀地流进、流出分布于金属骨架间的换热管道。分流装置和集流装置结构和外观上并无差别，但由于如上所述换热管内混沌扰流装置的特性决定了换热流体的流动方向只能与导流块的倾斜方向夹角为锐角，因此分流装置和集流装置命名由其功能实现决定，如图2所示。分流装置或集流装置外端由一根主干通道与外部流体设备连接，另一端由主干通道上均匀分出的四个对称分支通道与换热管道3连接，保证换热流体在各换热管道中均匀分配。

相变材料可为结晶水和盐类、脂肪酸等相变材料。

换热器壳体外圈包有保温材料9。

蓄热器工作时，高于相变材料相变温度的高温热源流体(如来自于太阳能、工业废热、余热等暂时不用的热流体)进入分流装置7后，分流装置将热流体均匀分配到四根换热管3中，热流体在换热管中流动，换热管内的混沌扰流装置6增强了流体的扰动与湍动，强化了流体与管壁的换热，使流体的热量快速传递到金属骨架2中，分形金属网状骨架因其较高的热导率和有效的分流、合流传输效应可将从热流体中传来的热量迅速、均匀地扩散到整个蓄热空间，并被周围的相变材料5吸收，保证整个孔道内的相变材料均能吸收热量由固态逐渐变为液态，使热能不断转化为潜热储存在相变材料内，释放了热量的流体经过集流装置8从蓄热器中流出，经过一段时间后，固态相变材料完全转化为液态实现热量存储的最大化，停止热流体的进出，完成蓄热器的蓄热过程。当用户需要热能时，使冷流体沿着与热流体相同的路线流动，此时填充在孔道中的相变材料按照相同的原理不断释放存储的热量，对冷流体逐渐进行加热，相变材料由液态逐渐转变为固态，待全部转变为固态后，不再释放热量，此时冷流体的温度升高到最高值，完成蓄热器的放热过程。蓄热和放热过程可循环重复使用，实现冷热流体与相变材料之间的高效换热。整个装置工作安全可靠，具有很高的蓄热和放热效率。

Claims (5)

1.一种相变蓄热装置，包括蓄热器壳体以及置于蓄热器壳体内的换热管道和相变材料，其特征在于：在所述蓄热器壳体内设置有多孔金属骨架，在所述多孔金属骨架沿轴向平行的设置有孔道阵列，所述相变材料位于所述孔道阵列的每个孔道内，所述换热管道沿所述多孔金属骨架轴向间隔的设置在所述孔道阵列内，在每个换热管道周围至少围绕有一圈所述孔道，在所述换热管道的入口设置分流装置，在所述换热管道的出口设置集流装置，在所述换热管道内还设置有三维交叉导流式混沌扰流器；所述三维交叉导流式混沌扰流器由延所述换热管道轴向间隔设置的混沌单元组成，每个混沌单元包括上导流单元和下导流单元，所述上导流单元和下导流单元分别由上导流块和下导流块组成，每个导流块的导流平面与换热管道轴线的夹角在45°到50°之间，上导流单元的上导流块和下导流单元的下导流块位于管道内的同一侧，上导流单元的下导流块和下导流单元的的上导流块位于管道内的另一侧，上导流单元的上导流块的顶端侧面与上导流单元的下导流块的底面相切，下导流单元的下导流块的顶端侧面与下导流单元的上导流块的底面相切，上导流单元的切面位置和下导流单元的切面位置都偏离管道的中心轴线，且两个切面位置分别位于管道轴线的不同侧；所述导流块为平板翅片，该平板翅片具有两个直角边和一个连接两个直角边的弧形边，其中该弧形边与管道内壁固定；所述多孔金属骨架为一六棱柱结构，六棱柱沿其轴向方向从上到下通有所述孔道阵列，所述孔道阵列形状与布局方式为蜂巢结构，所述相变材料与金属骨架间对称均匀地布置四根所述换热管道；所述孔道阵列的布局方式为：所述孔道阵列为平行于所述六棱柱横截面结构任意两对边的七行且对称排列，在第二行和第六行的中间分别设置一根换热管道，在第四行对称的设置有两根换热管道，四根换热管道形成一个菱形分布。

2.根据权利要求1所述的一种相变蓄热装置，其特征在于：所述切面位置与管道直径的关系为：0.4≤S/W<0.5，其中，S为切面与较近的管壁间的径向距离，W为换热管道的直径。

3.根据权利要求2所述的一种相变蓄热装置，其特征在于：所述孔道阵列的横截面形状为等大的正六边形，在正六边形孔道内沿轴向设置有燕尾型微槽道。

4.根据权利要求3所述的一种相变蓄热装置，其特征在于：所述相变材料为结晶水和盐类，或脂肪酸。

5.根据权利要求4所述的一种相变蓄热装置，其特征在于：所述蓄热器壳体外圈包有保温材料。