CN105115341A - 一种相变储能换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变储能换热器，包括外壳、换热管以及填充在换热管与外壳之间的相变储能材料，在换热管上设置有网状传热单元，该网状传热单元伸出换热管的外表面并位于外壳与换热管之间的空间内，网状传热单元为沿换热管外周面分布的N组分叉肋片结构，在换热管内设置有混沌流道，该混沌流道包括第一位置流道、第二位置流道以及耦合流道组成，第一位置流道在沿换热管轴向方向上间隔布置的第一流道构成，第二位置流道在沿换热管轴向方向上间隔布置的第二流道构成，第一流道位于所述第二流道的间隔位置，耦合流道连接第一流道和第二流道。本发明相变储能换热器能够实现能量的高效存储与利用，缓解能量供求的不匹配，实现热能系统的优化运行。

Description

一种相变储能换热器

技术领域

本发明涉及一种相变储能换热器，具体涉及的是一种基于网状传热单元和混沌流道的相变储能换热器。

背景技术

储能技术可以有效缓减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环境污染的有效途径，也是广义热能系统优化运行的重要手段。相变储能技术利用材料发生相变时能量释放或吸收的特性，具有蓄能密度高、温度恒定、易与运行系统相匹配、易控制等特点。近年来，随着相变储能系统广泛地应用于太阳能热利用、工业余热回收、采暖空调等节能领域，相变储能装置的研究也越来越广泛。

目前应用广泛的套管式相变储能装置多为同心套管，同心套管式相变储能装置，相变材料封装于圆柱形换热管中，外壳为沿纵向流动的传热流体。当流体温度高于材料相变温度时，相变材料吸收传热流体释放能量，发生融化从固态变为液态；当流体温度低于材料的相变温度时，相变材料释放能量给传热流体，发生凝固从液态变为固态，从而形成一个循环。我们知道，相变材料导热系数小使得冻融相变速率慢，尤其是在同心套管在内径较大的情况下，相变材料与流体之间的换热效果不理想，这将影响固液相变这种高密度蓄释能换热形式在热系统中的推广应用，因此，迫切需要开展固液相变强化传热。另外，传统圆柱形的换热管内的流动换热性能也有待优化提高。为此，本发明提出一种新型的固液相变储能换热器，该换热器以网状态传热单元强化固液相变传热，并在换热管内设置混沌流道，进而改善相变储能过程的传热性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供了一种基于网状传热单元和混沌流道的相变储能换热器，网状传热单元能够强化流体与相变储能材料的换热，实现能量由点到面(体)的高效输送，混沌流道能够提高流体混合度，加强温度与速度的场协同。相变储能换热器能够实现能量的高效存储与利用，缓解能量供求的不匹配，实现热能系统的优化运行。

技术方案

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种相变储能换热器，包括外壳、换热管以及填充在所述换热管与外壳之间的相变储能材料，其特征在于：在所述换热管上设置有网状传热单元，该网状传热单元伸出所述换热管的外表面并位于所述外壳与换热管之间的空间内，所述网状传热单元为沿所述换热管外周面分布的N组分叉肋片结构，每组分叉肋片结构共分F级分叉，分叉系数为λ＝L_i+1/L_i，每级分叉均为二叉分枝结构，每级分叉夹角为α，在所述换热管内设置有混沌流道，该混沌流道包括第一位置流道、第二位置流道以及耦合流道组成，所述第一位置流道在沿换热管轴向方向上间隔布置的第一流道构成，所述第二位置流道在沿换热管轴向方向上间隔布置的第二流道构成，所述第一流道位于所述第二流道的间隔位置，所述耦合流道连接所述第一流道和第二流道；其中，100°<α<120°，N≥3，F≥2，L_i为第i级分叉长度，i＝1～M-1，0.4<λ<0.6。

所述网状传热单元在所述换热管高度方向上分布有M组，其中，M≥2。

所述混沌流道为第一位置流道、第二位置流道和耦合流道共面的P型混沌流道。

所述混沌流道为第一流道和第二流道截面均为三角形且第一流道三角形和第二流道三角形中心不在同一位置的三角扭转混沌流道。

所述混沌流道为耦合流道不在同一平面的L型混沌流道或耦合流道在同一平面的C型混沌流道。

所述相变储能材料为石蜡、无机水合盐或有机储能材料。

所述无机水合盐为硫酸钠，所述有机储能材料为尿素。

本发明一种相变储能换热器，包括外壳、网状传热单元、相变储能材料和换热管。其中，网状传热单元联接在换热管外壁，并散布在换热管与外壳之间的空间；换热管外壁为圆柱形，管内流道采用混沌流道；相变储能材料充满换热管与外壳之间的空间。蓄热过程中，高温流体工质在所述换热管流道内流动将能量通过管壁与网状传热单元传递给换热管与外壳之间的相变储能材料，相变储能材料发生相变将能量储存；放热过程中，相变储能材料储存的能量用于加热流过所述换热管流道的低温流体工质，实现相变储能换热器的蓄热放热循环。

本发明网状传热单元为分叉肋片结构，当相变储能材料充满空间时，网状传热单元即嵌在相变储能材料之中，相变材料导热系数小，嵌入网状传热单元提高导热系数，并且增大传热面积，从而实现能量由点到面的高效输送。网状传热单元均匀布置在换热管外壁上，截面结构为N(N≥3)组分叉肋片结构，分叉肋片结构联接所述换热管外壁，共分F(F≥2)级，每次分级均为二叉分枝结构，下一级分枝长度L_i1与其上一级分支长度L_i+1的比值定义为分叉系数λ＝L_i+1/L_i(λ>0)，每一级分叉夹角为α，研究表明，当0.4<λ<0.6时，100°<α<120°可以达到最好传热效果。高度方向上每组网状传热单元高h，相邻两组之间的距离为Δh(Δh≥0)，特别的，当Δh＝0时，只有一组网状传热单元，其高度与相变储能换热器高度相同。

混沌流道可有多种设计方案，包括P型混沌流道、三角扭转混沌流道、L型混沌流道和C型混沌流道。在混沌流道内，流通结构包括第一位置流道、第二位置流道以及耦合流道，在流体工质主流方向的几何摆动(第一位置和第二位置变换)，使流体工质在总体上沿管道向前运动，同时在流动的主流速度方向上产生较大的径向分速度，并且由于流体工质所处的几何位置不同，受到的几何约束和向心力不同，其径向分速度的大小和方向也各不相同。在整个周期混沌流道内，速度较大区域随着混沌流道的几何变化作周期性变化。随着流体在混沌流道内的流动，流体工质的横截面上的速度大小分布随几何位置的不同而各不相同，从而使流体工质流动在各个方向产生随机的脉动。流体工质在混沌流道中无需增加功耗提高流体工质流速，即可提高流体工质的混合度。在混沌流道内，混沌对流能够促进流道中流体工质与换热管壁面附近的能量交换，从而增强传热。

有益效果

本发明涉及的是一种相变储能换热器，该装置利用相变储能材料相变特性实现能量的存储与利用。网状传热单元能够强化流体与相变储能材料的换热，混沌流道能够提高流体混合度，无需增加功耗提高流体工质流速，即可增强换热而不显著地增大压降。本发明相变储能换热器能够实现能量的高效存储与利用，有效减轻环境污染，缓解能量供求的不匹配，实现热能系统的优化运行。

附图说明

图1相变储能换热器(Δh≠0)结构示意图；

图2相变储能换热器(Δh＝0)结构示意图；

图3本发明网状传热单元截面图；

图4本发明换热管结构(P型混沌流道)的剖面示意图；

图5为图4中混沌流道结构示意图；

图6为三角扭转混沌流道结构示意图；

图7为L型混沌流道结构图

图8本发明C型混沌流道结构图；

图中1.换热管；2.网状传热单元；3.外壳；4.换热管外壁；5.一级分叉；6.二级分叉；7.三级分叉；8.四级分叉。

具体实施方式

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

图1给出了一种相变储能换热器(Δh≠0)结构示意图，是一种基于网状传热单元和混沌流道的相变储能换热器，包括外壳3、网状传热单元2、相变储能材料和换热管1。其中，网状传热单元2联接在换热管外壁4上，并在换热管与外壳之间的空间发散；换热管外壁4为圆柱形，管内流道采用混沌流道与圆管流道相结合的方式；相变储能材料充满换热管与外壳之间的空间。蓄热过程中，高温流体工质在换热管流道内流动将能量通过管壁与网状传热单元传递给换热管与外壳之间的相变储能材料，相变储能材料发生相变将能量储存；放热过程中，相变储能材料储存的能量用于加热流过换热管流道的低温流体，实现该装置的蓄热放热循环。网状传热单元2在换热管外壁高度方向上分布有一个或M(M≥2)组，每组网状传热单元2高h，相邻两组之间的距离为Δh(Δh≥0)。

图2给出了Δh＝0时，即网状传热单元2在换热器高度方向上只有一个时，相变储能换热器结构示意图。

图3给出了所述网状传热单元截面图，网状传热单元2为分叉肋片结构，联接在换热管外壁4，并散布在换热管与外壳之间的空间，相变储能材料充满所述空间时，网状传热单元2即嵌在相变储能材料之中。网状传热单元2均匀布置在换热管外壁上，截面结构为N(N≥3)组分叉肋片结构，分叉肋片结构联接换热管外壁，共分F(F≥1)级，每次分级均为二叉分枝结构，二级分叉长度L₂与一级分叉长度L₁的比值定义为分叉系数λ＝L₂/L₁(λ>0)，整个网状传热单元上下级分叉系数相同。分叉夹角为α，当0.4<λ<0.6时，100°<α<120°可以达到最好传热效果。

图4、图5给出了混沌流道结构示意图，混沌流道是由周期性变化的单元流道拼接而成，单元流道首尾相接形成周期性变化地通流结构，改变了流体工质的速度场分布，流场的变化影响温度的分布，在温度梯度较大的区域会产生较大的速度分量，使得两场的协同效果得到明显改善。其中流道形状为P型混沌流道。

图6为三角扭转混沌流道。

图7为L型混沌流道。

图8为C型混沌流道，图中标志为一种设计方式，流道入口处高为x，宽度为2x，每段长直流道长3x。

Claims (7)

1.一种相变储能换热器，包括外壳、换热管以及填充在所述换热管与外壳之间的相变储能材料，其特征在于：在所述换热管上设置有网状传热单元，该网状传热单元伸出所述换热管的外表面并位于所述外壳与换热管之间的空间内，所述网状传热单元为沿所述换热管外周面分布的N组分叉肋片结构，每组分叉肋片结构共分F级分叉，分叉系数为λ=L _i+1 /L _i ，每级分叉均为二叉分枝结构，每级分叉夹角为α，在所述换热管内设置有混沌流道，该混沌流道包括第一位置流道、第二位置流道以及耦合流道组成，所述第一位置流道在沿换热管轴向方向上间隔布置的第一流道构成，所述第二位置流道在沿换热管轴向方向上间隔布置的第二流道构成，所述第一流道位于所述第二流道的间隔位置，所述耦合流道连接所述第一流道和第二流道；其中，100°<α<120°，N≥3，F≥2，L _i 为第i级分叉长度，i=1～M-1，0.4<λ<0.6。

2.根据权利要求1所述的相变储能换热器，其特征在于：所述网状传热单元在所述换热管高度方向上分布有M组，其中，M≥2。

3.根据权利要求1所述的相变储能换热器，其特征在于：所述混沌流道为第一位置流道、第二位置流道和耦合流道共面的P型混沌流道。

4.根据权利要求1所述的相变储能换热器，其特征在于：所述混沌流道为第一流道和第二流道截面均为三角形且第一流道三角形和第二流道三角形中心不在同一位置的三角扭转混沌流道。

5.根据权利要求1所述的相变储能换热器，其特征在于：所述混沌流道为耦合流道不在同一平面的L型混沌流道或耦合流道在同一平面的C型混沌流道。

6.根据权利要求1～5之一所述的相变储能换热器，其特征在于：所述相变储能材料为石蜡、无机水合盐或有机储能材料。

7.根据权利要求6所述的相变储能换热器，其特征在于：所述无机水合盐为硫酸钠，所述有机储能材料为尿素。