CN106225542B - 一种主动式固液相变材料换热循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种主动式固液相变材料换热循环系统，其利用放热端箱体内的螺旋盘管与旋转粉碎刀头的结构布局设计，使得旋转粉碎刀头运转时能够带动放热端箱体内液态状的固液相变材料流动形成循环扰流，让放热端箱体内换热冷却形成的固态状固液相变材料能够在循环扰流带动下被运转的旋转粉碎刀头切割粉碎，避免了固态状固液相变材料造成输送阻塞的问题，同时循环扰流也使得换热冷却形成的固态状固液相变材料不易凝结或包裹在螺旋盘管的管壁上而产生换热受阻的问题，并借助扰流冲刷进一步增进了固液相变材料与螺旋盘管之间的换热接触，能够有效提升固液相变材料与冷源之间的换热效率，更好的确保固液相变材料换热循环的有效运行。

Description

一种主动式固液相变材料换热循环系统

技术领域

本发明涉及相变材料蓄热应用技术领域，具体涉及一种主动式固液相变材料换热循环系统。

背景技术

相变材料（PCM，Phase Change Material）是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。相变材料可作为蓄热器，其蓄热特性在节能、温度控制等领域有着极大的意义。相对于液气相变和固气相变的蓄热器，固液相变蓄热器因其具有容积蓄热密度大、蓄热温差变化小等优点而广泛应用于余热回收、太阳能储存以及供暖和空调系统。固液相变蓄热技术利用相变蓄热材料生相变时能量的吸收与释放来储存和释放能量，可以有效缓解能量供求双方在时间、地点、强度上的不匹配，并通过固相、液相相变材料的循环运输实现能量供求双方的蓄热和放热，是合理利用能源及减轻缓解污染的一种有效途径，也是热能系统优化运行的重要手段。

要利用固液相变材料实现能量供求双方的蓄热和放热，就需要依靠固液相变材料换热循环系统来实现对固相、液相相变材料的循环运输和热能交换。现有的固液相变材料换热循环系统通常包括用于向冷源释放热量的放热端箱体和用于从热源吸收热量的吸热端箱体，冷源和热源通常通过散热片或盘管置入到放热端箱体和吸热端箱体中，以提高换热效率，同时放热端箱体和吸热端箱体均为中空结构，内部均填充有固液相变材料，使得固液相变材料在吸热端箱体内从热源吸收热量进行蓄热、在放热端箱体内向冷源释放热量进行放热，达到热源和冷源双方进行热能交换的目的；而且放热端箱体和吸热端箱体之间通过输送管道和带有液泵的回液管道相连通，吸热端箱体内经吸热后的液态相变材料由液泵的抽吸通过回液管道输送至放热端箱体内，而放热端箱体内放热后的固态相变材料再通过输送管道被输送回吸热端箱体内进行吸热而重新相变为液相状态，由此形成固液相变材料的蓄热、放热循环。但在固液相变材料换热循环系统中，始终存在一个难以解决的问题，就是放热端箱体内放热后的固态相变材料由于流动性降低，增加了将其输送回吸热端箱体的难度，仅单纯的依靠液泵的液压来提供循环动力容易出现阻塞而导致固液相变材料的循环输送缓慢或受阻，并且放热端箱体内冷放热后凝固形成的固态相变材料容易凝结或包裹在冷源的散热片或盘管上，导致冷源的散热片或盘管与液态的固液相变材料的接触受阻，这些问题都会降低液态的固液相变材料与冷源之间的换热效率。如何更好的解决这些问题，成为了固液相变材料换热循环系统的一个技术研究方向。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种主动式固液相变材料换热循环系统，用以缓解或避免固态状固液相变材料容易出现输送阻塞以及容易在冷源上凝结或包裹的问题，帮助提升系统中固液相变材料与冷源之间的换热效率。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种主动式固液相变材料换热循环系统，包括放热端箱体和吸热端箱体，所述放热端箱体和吸热端箱体内均填充有固液相变材料；所述放热端箱体整体呈封闭的圆筒状且设置于吸热端箱体的上方，放热端箱体的底面周向边缘均匀分布有若干根硬质的连接管道与吸热端箱体的顶面相连接以提供支撑力，且放热端箱体与吸热端箱体之间通过所述连接管道相连通；所述吸热端箱体与放热端箱体之间还通过回液管道相连通，且回液管道上设置有能够抽吸驱动回液管道中的液体从吸热端箱体流向放热端箱体方向的液泵；所述放热端箱体内设置有螺旋盘管，所述螺旋盘管的螺旋轴心线竖向设置，且螺旋盘管的螺旋外侧与放热端箱体的侧壁之间存在间隙，螺旋盘管的入口端和出口端伸出于放热端箱体；所述放热端箱体内还设置有由电机驱动转动的旋转粉碎刀头，所述旋转粉碎刀头位于所述螺旋盘管所包围形成的螺旋中心通道内，且旋转粉碎刀头在旋转时能够带动液体形成由下至上的推进液流。

上述的主动式固液相变材料换热循环系统中，作为优选方案，所述旋转粉碎刀头具有一个能够与连接电机的驱动轴相连接的转毂，以及均匀分布在转毂的水平周向上且横向向外延伸的若干刀片，所述刀片的刃口位于其旋转运动方向一侧，且刀片上具有从刃口所在一侧到背向刃口一侧由下至上倾斜的倾斜面。

上述的主动式固液相变材料换热循环系统中，作为优选方案，所述电机设置于放热端箱体外侧且位于旋转粉碎刀头正上方的位置处，电机的驱动轴从放热端箱体的顶面向下伸入放热端箱体内并与旋转粉碎刀头相连接。

上述的主动式固液相变材料换热循环系统中，作为优选方案，所述螺旋盘管的管道外侧壁上还设置有翅片。

上述的主动式固液相变材料换热循环系统中，作为优选方案，所述放热端箱体的底面为中部高、周向边缘低的锥面状。

上述的主动式固液相变材料换热循环系统中，作为一种可选择方案，所述回液管道为“匚”形的弯折管，回液管道的下端连接于吸热端箱体侧壁上的下部位置处，回液管道的上端连接于放热端箱体侧壁上的顶部位置处。

上述的主动式固液相变材料换热循环系统中，作为另一种可选择方案方案，所述回液管道为竖向设置的直管，回液管道的下端插入至吸热端箱体内的下部位置处，回底面液管道的上端连接于放热端箱体底面上的中部位置处。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的主动式固液相变材料换热循环系统，利用放热端箱体内的螺旋盘管与旋转粉碎刀头的结构布局设计，使得旋转粉碎刀头运转时能够带动放热端箱体内液态状的固液相变材料流动形成在螺旋中心通道空间内上升、外层间隙通道空间内下沉的循环扰流，让放热端箱体内换热冷却形成的固态状固液相变材料能够被循环扰流带动至螺旋盘管所包围形成的螺旋中心通道被运转的旋转粉碎刀头切割粉碎，更有利于混合在液态状固液相变材料中进行流动输送，避免了大块状固态状固液相变材料造成输送阻塞的问题。

2、本发明的主动式固液相变材料换热循环系统，还能够借助放热端箱体内旋转粉碎刀头运转时形成的循环扰流对螺旋盘管形成冲刷，使得换热冷却形成的固态状固液相变材料不易凝结或包裹在螺旋盘管的管壁上而产生换热受阻的问题，并借助扰流冲刷进一步增进了固液相变材料与螺旋盘管之间的换热接触，因此能够有效的提升固液相变材料与冷源之间的换热效率，更好的确保固液相变材料换热循环的有效运行。

附图说明

图1为本发明主动式固液相变材料换热循环系统一种具体实施结构的立面剖视结构示意图。

图2为本发明主动式固液相变材料换热循环系统中旋转粉碎刀头的一种实施结构示意图。

图3为本发明主动式固液相变材料换热循环系统另一种具体实施结构的立面剖视结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种主动式固液相变材料换热循环系统，如图1所示，该主动式固液相变材料换热循环系统也包括放热端箱体10和吸热端箱体20，放热端箱体10和吸热端箱体20内也均填充有固液相变材料；其中，由于吸热端箱体内的固态状固液相变材料受热后会转换为流动性更好的液态状，不会造成输送阻塞的问题，因此吸热端箱体可以采用现有的设计，同时热源也可以根据实际需要而通过散热片或盘管置入到吸热端箱体中进行换热，吸热端箱体中的细节结构未在图1中具体示出；但针对放热端箱体内固态状固液相变材料容易出现输送阻塞以及容易在冷源上凝结或包裹的问题，本发明针对放热端箱体重新调整设计，放热端箱体10采用了整体呈封闭的圆筒状的结构，且设置于吸热端箱体20的上方，放热端箱体10的底面周向边缘均匀分布有若干根硬质的连接管道11与吸热端箱体20的顶面相连接以提供支撑力，且放热端箱体与吸热端箱体之间通过所述连接管道11相连通；此外，吸热端箱体与放热端箱体之间还通过回液管道12相连通，且回液管道12上设置有能够抽吸驱动回液管道中的液体从吸热端箱体流向放热端箱体方向的液泵13。而在放热端箱体10内设置有螺旋盘管14，用以作为冷源的换热器件，螺旋盘管14的螺旋轴心线竖向设置，且螺旋盘管14的螺旋外侧与放热端箱体10的侧壁之间存在间隙，螺旋盘管14的入口端和出口端伸出于放热端箱体；此外，放热端箱体10内还设置有由电机16驱动转动的旋转粉碎刀头15，该旋转粉碎刀头15位于所述螺旋盘管14所包围形成的螺旋中心通道内，且旋转粉碎刀头15在旋转时能够带动液体形成由下至上的推进液流。

从图1和上述结构可以看到，在本发明的主动式固液相变材料换热循环系统中，放热端箱体内的螺旋盘管作为通入冷源与放热端箱体内液态的固液相变材料进行换热的换热部件，其螺旋轴心线竖向设置，将放热端箱体的内部空间分隔形成了螺旋盘管所包围形成的螺旋中心通道空间以及螺旋盘管的螺旋外侧与放热端箱体的侧壁之间的外层间隙通道空间，同时，由电机驱动转动的旋转粉碎刀头设置在螺旋盘管所包围形成的螺旋中心通道内，并且旋转粉碎刀头在旋转时能够带动液体形成由下至上的推进液流；由此以来，在旋转粉碎刀头运转时能够带动放热端箱体内液态状的固液相变材料流动，形成在螺旋中心通道空间内上升、外层间隙通道空间内下沉的循环扰流，该循环扰流对螺旋盘管形成的冲刷能够使得液态状固液相变材料与螺旋盘管中流过的冷源接触换热后所形成的固态状固态相变材料不易凝结或包裹在螺旋盘管的管壁上，同时如果存在受冷相变凝结形成的大块固态状固液相变材料，也会被循环扰流带动至螺旋盘管所包围形成的螺旋中心通道内随流上升，被运转的旋转粉碎刀头切割粉碎为小颗粒，更有利于混合在液态状固液相变材料中进行流动输送，避免了大块状固态状固液相变材料造成输送阻塞的问题，然后小颗粒的固态状固液相变材料被循环扰流带动至螺旋盘管的螺旋外侧与放热端箱体的侧壁之间的外层间隙通道空间并随流下降，并在向下流动过程中，一部分随着放热端箱体内的循环扰流重新进入螺旋盘管所包围形成的螺旋中心通道内，而一部分小颗粒固态状固液相变材料则随流通过连接管道流进入吸热端箱体内，重新吸热相变为液态，再通过回流管道上的液泵被抽回至放热端箱体内，如此循环，实现对固相、液相相变材料的循环运输和热能交换；由此也可以看到，若干根硬质的连接管道在放热端箱体的底面周向边缘均匀分布并与吸热端箱体的顶面相连接，不仅起到了对放热端箱体提供支撑力的作用，而且还配合了放热端箱体内循环扰流的流向，使得在固态状固液相变材料混合在流动的液态状固液相变材料中被循环扰流带动至外层间隙通道空间并随流下降至放热端箱体内底部时更易于顺流进入到连接管道内而流入至吸热端箱体中；此外，在上述循环运输和热能交换过程中，由于螺旋盘管的螺旋环之间存在间隙，使得螺旋中心通道内位于旋转粉碎刀头上方的一部分上升液流会从螺旋环间隙外流到外层间隙通道空间内，而位于旋转粉碎刀头以下的外层间隙通道空间内的一部分下沉液流会从螺旋环间隙流入到螺旋中心通道内，从而在放热端箱体内形成更复杂的循环扰流，在进一步缓解甚至避免了冷却为固态状的固液相变材料凝结或包裹在螺旋盘管上而导致螺旋盘管与固液相变材料的接触受阻问题的同时，还借助扰流冲刷进一步增进了固液相变材料与螺旋盘管之间的换热接触，因此能够有效的提升固液相变材料与冷源之间的换热效率。也就是说，本发明的主动式固液相变材料换热循环系统利用放热端箱体内的螺旋盘管与旋转粉碎刀头的结构布局设计，能够主动实现驱动循环扰流和对固态状固液相变材料进行粉碎的功能，并借助这种主动式的功能，能够缓解或避免固态状固液相变材料容易出现输送阻塞以及容易在冷源上凝结或包裹的问题，并帮助提升系统中固液相变材料与冷源之间的换热效率。

在本发明的主动式固液相变材料换热循环系统中，旋转粉碎刀头是一个重要的工作元件，图2使出了旋转粉碎刀头的一种优选结构设计，该优选设计的旋转粉碎刀头具有一个能够与连接电机的驱动轴相连接的转毂151，以及均匀分布在转毂151的水平周向上且横向向外延伸的若干刀片152，刀片152的数量通常可以设计为3~5片，刀片152的刃口位于其旋转运动方向一侧，且刀片152上具有从刃口所在一侧到背向刃口一侧由下至上倾斜的倾斜面；由此以来，旋转粉碎刀头在运转时，便能后通过其旋转运动的刀片的刃口对经过的固态状固液相变材料进行切割和粉碎，同时由于旋转运动的刀片的倾斜面对液体形成由下至上的推动力，从而带动液体形成由下至上的推进液流，促使放热端箱体内形成循环扰流。而驱动旋转粉碎刀头运转的电机16，则最好设置于放热端箱体外侧且位于旋转粉碎刀头15正上方的位置处，如图1所示，电机16的驱动轴从放热端箱体10的顶面向下伸入放热端箱体内并与旋转粉碎刀头15相连接，这样设计更便于电机的安装、电路连接、以及后续的维修处理工作。

作为对本发明主动式固液相变材料换热循环系统在其它方面的优化，放热端箱体的螺旋盘管的管道外侧壁上还可以增加设置翅片，用以增强螺旋盘管的换热性能，进一步的帮助提升固液相变材料与冷源之间的换热效率。

此外，如图3所示，该主动式固液相变材料换热循环系统中放热端箱体10的底面优选设计为中部高、周向边缘低的锥面状，这样更有利于放热端箱体内固液混合状态的固液相变材料在循环液流的扰动过程中逐渐聚集于放热端箱体底面的周向边缘位置，从而从放热端箱体底面周向边缘位置处的连通管道流出到吸热端箱体内。

另一方面，由于本发明主动式固液相变材料换热循环系统中放热端箱体内部的循环扰流影响，吸热端箱体与放热端箱体之间的回液管道的安装结构不能随意设计，例如，如果回液管道与放热端箱体的连接部位于放热端箱体侧壁上的底部位置处，由于此位置处太接近放热端箱体与吸热端箱体相连通的连接管道位置，那么从回液管道流入放热端箱体内的液态固液相变材料容易在循环扰流的带动下，快速的从连接管道流回到吸热端箱体中，无法在放热端箱体内长时间停留而充分换热冷却，从而会影响系统的换热运行效率。因此，作为第一种优选方案，如图1所示，回液管道12可以设计为“匚”形的弯折管，回液管道12的下端连接于吸热端箱体20侧壁上的下部位置处，便于吸热端箱体的液态固液相变材料流出，而回液管道12的上端连接于放热端箱体10侧壁上的顶部位置处，便于从回液管道流入放热端箱体内的液态固液相变材料能够由上至下穿过放热端箱体的内部空间以进行充分换热。但在第一种回液管道优选设计方案中，会导致回液管道的垂直路径较长，需要液泵提供较大的抽吸力，从而会在一定程度上增加液泵的能耗。因此，作为第二种优选方案，如图3所示，回液管道12设计为竖向设置的直管，回液管道12的下端插入至吸热端箱体20内的下部位置处，便于吸热端箱体的液态固液相变材料流出，而回液管道12的上端连接于放热端箱体10底面上的中部位置处；这样设计，一方面减小了回液管道上液泵的抽吸高度，另一方面可以借助旋转粉碎刀头运转时在螺旋盘管所包围形成的螺旋中心通道内形成的上升液流的向上抽吸力，辅助带动回液管道内的液流上升，从而有助于减小液泵的抽吸力度，因此能够从抽吸高度和抽吸力度两方面帮助降低液泵的能耗；不仅如此，通过液泵从回液管道向上喷入至放热端箱体内中部区域的上升液流还能够辅助促进放热端箱体内部的循环扰流，增强放热端箱体内循环扰流的流动性和扰动性。由此可见，回液管道的第二种优选结构方案，与放热端箱体通过内部循环扰流增进固液相变材料与冷源之间换热效率的功能起到了相互促进、相辅相成的效果，是本申请最为优选的回液管道结构方案。

因此，图3所示的结构实施方案是本发明主动式固液相变材料换热循环系的最优化结构方案，图3中各标号的含义均与图1相同。

综上所述，本发明的主动式固液相变材料换热循环系，利用放热端箱体内的螺旋盘管与旋转粉碎刀头的结构布局设计，使得旋转粉碎刀头运转时能够带动放热端箱体内液态状的固液相变材料流动形成在螺旋中心通道空间内上升、外层间隙通道空间内下沉的循环扰流，让放热端箱体内换热冷却形成的固态状固液相变材料能够被循环扰流带动至螺旋盘管所包围形成的螺旋中心通道被运转的旋转粉碎刀头切割粉碎，更有利于混合在液态状固液相变材料中进行流动输送，避免了大块状固态状固液相变材料造成输送阻塞的问题，同时循环扰流对螺旋盘管形成的冲刷能够使得换热冷却形成的固态状固液相变材料不易凝结或包裹在螺旋盘管的管壁上而产生换热受阻的问题，并借助扰流冲刷进一步增进了固液相变材料与螺旋盘管之间的换热接触，因此能够有效的提升固液相变材料与冷源之间的换热效率，更好的确保固液相变材料换热循环的有效运行。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种主动式固液相变材料换热循环系统，包括放热端箱体和吸热端箱体，所述放热端箱体和吸热端箱体内均填充有固液相变材料；其特征在于，所述放热端箱体整体呈封闭的圆筒状且设置于吸热端箱体的上方，放热端箱体的底面周向边缘均匀分布有若干根硬质的连接管道与吸热端箱体的顶面相连接以提供支撑力，且放热端箱体与吸热端箱体之间通过所述连接管道相连通；所述吸热端箱体与放热端箱体之间还通过回液管道相连通，且回液管道上设置有能够抽吸驱动回液管道中的液体从吸热端箱体流向放热端箱体方向的液泵；

所述放热端箱体内设置有螺旋盘管，所述螺旋盘管的螺旋轴心线竖向设置，且螺旋盘管的螺旋外侧与放热端箱体的侧壁之间存在间隙，螺旋盘管的入口端和出口端伸出于放热端箱体；所述放热端箱体内还设置有由电机驱动转动的旋转粉碎刀头，所述旋转粉碎刀头位于所述螺旋盘管所包围形成的螺旋中心通道内，且旋转粉碎刀头在旋转时能够带动液体形成由下至上的推进液流。

2.根据权利要求1所述的主动式固液相变材料换热循环系统，其特征在于，所述旋转粉碎刀头具有一个能够与连接电机的驱动轴相连接的转毂，以及均匀分布在转毂的水平周向上且横向向外延伸的若干刀片，所述刀片的刃口位于其旋转运动方向一侧，且刀片上具有从刃口所在一侧到背向刃口一侧由下至上倾斜的倾斜面。

3.根据权利要求1所述的主动式固液相变材料换热循环系统，其特征在于，所述电机设置于放热端箱体外侧且位于旋转粉碎刀头正上方的位置处，电机的驱动轴从放热端箱体的顶面向下伸入放热端箱体内并与旋转粉碎刀头相连接。

4.根据权利要求1所述的主动式固液相变材料换热循环系统，其特征在于，所述螺旋盘管的管道外侧壁上还设置有翅片。

5.根据权利要求1所述的主动式固液相变材料换热循环系统，其特征在于，所述放热端箱体的底面为中部高、周向边缘低的锥面状。

6.根据权利要求1所述的主动式固液相变材料换热循环系统，其特征在于，所述回液管道为“匚”形的弯折管，回液管道的下端连接于吸热端箱体侧壁上的下部位置处，回液管道的上端连接于放热端箱体侧壁上的顶部位置处。

7.根据权利要求1所述的主动式固液相变材料换热循环系统，其特征在于，所述回液管道为竖向设置的直管，回液管道的下端插入至吸热端箱体内的下部位置处，回底面液管道的上端连接于放热端箱体底面上的中部位置处。