CN106767082A - 基于脉动热管的可移动式蓄放热装置及其蓄放热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于脉动热管的可移动式蓄放热装置及其蓄放热方法，蓄放热装置包括壳体、加热腔室、相变材料室、冷却腔室和脉动热管。加热腔室、相变材料室、冷却腔室和脉动热管均设于所述壳体内。加热腔室、相变材料室、冷却腔室通过不锈钢隔板隔开。至少一组所述脉动热管穿过所述隔板置于所述壳体内。脉动热管置于加热腔室、冷却腔室部分为直管段加弯头，置于相变材料室部分均为直管段。脉动热管置于加热腔室部分为蒸发段，置于相变材料室部分为绝热段，置于冷却腔室部分为冷凝段。冷却腔室和加热腔室的一端设有流体进口和出口。通过利用脉动热管内部工质的相变传热以及相变材料的相变储热，实现废热的吸收、储存、转移与释放，从而将废热有效再利用。
Description
技术领域
本发明涉及热能储存与释放技术领域，具体涉及一种基于脉动热管的可移动式蓄放热装置及其蓄放热方法。
背景技术
在能源需求不断扩大以及石化能源不断减少的大背景下，新能源、可再生能源和废热利用等越来越受到重视，热能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。目前相变潜热蓄热的研究主要有两种：一种是研究相变蓄热材料（PCM）本身，包含材料的寿命、物理性能、稳定性、蓄热容器与材料的相容性等；另一种是研究热物理问题，包括相变蓄热过程的传热机理、相变蓄放热装置强化传热、相变蓄放热器设计等。大多数相变材料普遍存在导热系数低、蓄放热性能差的缺点，从而使得相变蓄放热装置中的热量储存和释放无法快速地进行，使得其相变蓄放热效率偏低。为解决以上问题很多专业研究人员从材料的选择和优化，装置的设计和改造方面做了大量的研究工作。脉动热管是日本学者Akachi在20世界90年代初期提出的一种可用于微小空间、新型高效、具有高热流密度的新型传热元件。脉动热管具有以下优点：
（1）构造简单、节约成本；
（2）管径小、体积也小；
（3）结构多样、适应性能好；
（4）加热方式多样；
（5）传热效果更好。
申请号201410851584.3申请了一种脉动热管蓄热装置及其热循环方法，申请号201410851584.3考虑了通过脉动热管蓄热，但没有考虑热量转移过程中如何利用脉动热管放热，即考虑如何在一个装置中利用脉动热管强化整个废热转移的过程，提高装置的实用性和经济性。
申请号 201480054443.7申请了基于脉动热管的热交换装置，其发明的技术目标是改善热交换装置的热性能而不是废热利用，整个装置没有考虑利用相变材料储存热量。
申请号 201510463032.X申请了一种脉动热管换热器及其加工方法，其目的是提供一种脉动热管换热器及其加工方法。
申请号201620562228 .4申请了一种气液脉动热管换热器，其目的是用于余热回收，但没有蓄热环节。
发明内容
有鉴于此，本发明选用适当的相变材料，采用脉动热管来强化整个蓄放热过程，改善传热性能，把脉动热管技术应用到蓄放热装置热量交换的吸收、储存、转移与释放的完整过程中。本发明进而提供一种基于脉动热管的可移动式蓄放热装置及其蓄放热方法，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和相变材料的相变潜热来实现热量的吸收、储存、转移与释放。
本发明采用的技术方案具体为：
一种基于脉动热管的可移动式蓄放热装置，蓄放热装置包括壳体、加热腔室、相变材料室、冷却腔室和脉动热管。所述加热腔室、相变材料室、冷却腔室和脉动热管设于所述壳体内。所述加热腔室、相变材料室、冷却腔室通过不锈钢隔板隔开。至少一组所述脉动热管穿过不锈钢隔板置于所述加热腔室、相变材料室、冷却腔室内。所述脉动热管置于加热腔室和冷却腔室部分为直管段加弯头组成，所述脉动热管置于相变材料室部分均为直管段组成。所述壳体和外壁之间设有保温层。所述脉动热管置于加热腔室部分为蒸发段，所述脉动热管置于相变材料室部分为绝热段，所述脉动热管置于冷却腔室部分为冷凝段。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、储存与释放，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。
冷却腔室、冷流体导流板和脉动热管的冷凝段构成所述基于脉动热管的可移动式蓄放热装置的冷凝部分，所述冷却腔室内流入冷流体，冷流体在冷却腔室内沿导流板绕行，延长与脉动热管的冷凝段接触时间达到充分换热目的。所述冷却腔室的一端设有冷流体进口和冷流体出口。
加热腔室、热流体导流板和脉动热管的蒸发段构成所述基于脉动热管的可移动式蓄放热装置的加热部分，所述加热腔室内流入热流体，热流体在加热腔室内沿导流板绕行，延长与脉动热管的蒸发段的接触时间达到充分换热目的。所述加热腔室的一端设有热流体进口和热流体出口。
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头首尾相连而成多弯闭合回路，所述竖向通道的个数为10-100 个。
所述脉动热管之毛细管的材料为紫铜或者不锈钢，内径为2-5mm。
本发明进一步提供一种基于脉动热管的可移动式蓄放热装置的蓄放热方法，包括以下步骤：
步骤一、吸收热量：废热热流体流经所述加热腔室内释放热量，所述脉动热管内工质在蒸发段吸收该热流体的热量后气化，然后在所述脉动热管冷凝段内冷凝释放该热量，又由所述相变材料室内的相变材料吸收；
步骤二、 储存热量：所述脉动热管内的工质气化后以气塞或者液塞的形式向所述脉动热管的绝热段和冷凝段流动，所述脉动热管内的工质在所述脉动热管内的绝热段冷凝过程中将热量释放于相变材料室的相变材料中，相变材料吸收热量后温度慢慢升高，温度升高到相变点就开始融化，相变材料在融化的过程中大量的吸收热量并予以储存。脉动热管内的工质释放热量后冷凝为液体，然后以液塞或者液膜的形式在重力作用下又返回到所述脉动热管的蒸发端，工质在脉动热管内不断的气化和冷凝，如此循环，实现从热流体把热量转移到装置的相变材料中。
步骤三、转移热量：装置内所述相变材料在相变过程中能储存大量热量，然后把所储存的热量从热量多余的地方转移到热量缺少的地方使用，或者在热量多余的时候储存起来，在热量缺少的时候释放出来使用。
步骤四、 释放热量：冷却流体流经装置所述冷却腔室，吸收和转移相变材料储存的热量，因脉动热管的冷凝端置于所述冷却腔室中，脉动热管冷凝端内的气态工质因为冷却后迅速冷凝，并在重力作用下回流到脉动热管蒸发端，脉动热管蒸发端和绝热段外围处于融化状态的相变材料会慢慢凝固，在凝固的过程中释放大量的热量，脉动热管内的工质在相变材料凝固过程中所释放热量的加热下气化，然后迅速填补到脉动热管的冷凝端，所述脉动热管内工质从所述脉动热管冷凝端再次被冷却腔室内流动的冷却流体冷却冷凝，然后在重力下又回所述脉动热管蒸发端被加热气化，然后又回到所述脉动热管的冷凝端，如此反复，实现把相变材料所储存的热量释放到冷却流体中，发挥废热的价值。
所述冷流体为气体或者液体，所述热流体为气体或者液体。
所述相变材料的相变温度低于所述热流体的温度，所述相变材料的相变温度高于所述冷流体的温度。
充注工作工质前需要先对脉动热管 进行抽真空，本发明中，应保证工作工质的充液率为 30-70％，工作工质的种类需根据热流体的温度进行选择设计。
本发明产生的有益效果是：本发明的脉动热管蓄放热装置将脉动热管技术应用于蓄放热装置中，利用脉动热管内部工作工质的蒸发、冷凝和相变材料室内相变材料的相变潜热，将热流体中吸收的热量储存于相变材料中，实现了热量的吸收与储存；然后将储存于相变材料中的热量释放于冷流体中，有效地将废热中的能量储存并转移到需要热量的地方。该脉动热管蓄放热装置不仅结构简单，且利用相变材料的相变潜热来蓄热，蓄热能力大，释放热量时候温度稳定，另外在蓄热、放热过程中利用了脉动热管，脉动热管的运行不需要输入外界动力的输入，又具有热能流密度大、效率高以及运行稳定可靠的明显优点。
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。
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1各部件名称：图中1、加热流体进口，2、加热流体出口，3、加热腔室，4、相变材料室，5、冷却腔室，6、脉动热管，7、脉动热管抽真空充工质接口，8、脉动热管压力表接口，9、冷却腔室内冷流体导流板，10、冷却流体出口，11、冷却流体进口， 12冷却腔室与相变材料室隔板，13、相变材料， 14、装置的加料口，15、加热腔室与相变材料室隔板，16、加热腔室内热流体导流板，17、壳体。
如图1所示的一种基于脉动热管的可移动式蓄放热装置，包括壳体17、加热腔室3、相变材料室4、冷却腔室5和脉动热管6，加热腔室3、相变材料室4、冷却腔室5和脉动热管6设于壳体 17内，至少一组脉动热管 6置于壳体 17内，加热腔室3 内设有热流导流板15，冷却腔室5内设有冷流导流板9，加热腔室3、相变材料室4、冷却腔室5通过挡板 12、16 隔开。冷却腔室5 的一端设有冷流体进口 10和冷流体出口11，加热腔室3的一端设有热流体进口 1和热流体出口2，脉动热管6的蒸发端置于加热腔室3 内，脉动热管6的冷凝端置于冷却腔室5 内，热流导流板15和冷流导流板9能够实现对热流体的导流作用作用，延长流体在腔室内的流动时间，强化传热。每组脉动热管6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2-5mm，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 6设有10-100个竖向通道，充注工作工质前需要先对脉动热管6进行抽真空，7为充液抽真空连接端，8为压力表连接端。本发明中，应保证工作工质的充液率为30-70％，工作工质的种类需根据加热腔室3内的热流体的温度进行选择设计。为了增加脉动热管6的换热面积，脉动热管6的毛细管上还可以设有若干直肋或者环肋。冷流体和热流体均可以为气体或者液体，相变材料选取应根据热流体温度进行选择设计，相变材料的相变温度低于热流体的相变温度。
当有可以利用的热流体热量时，为避免能量的浪费，高温的热流体需要蓄热储存，热流体流经加热腔室3后热流体释放热量，释放热量的过程具体为：脉动热管的蒸发端因为置于加热腔室3中，脉动热管内的工作工质吸收加热腔室3中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绝热段和冷凝端流动，在绝热段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。
在热流体的热能释放过程中，实现了对相变材料 ( 即蓄热材料 ) 的加热。相变材料吸收热量后，达到一定温度 ( 熔点 ) 发生相变，不断将热量储存起来。
在热量储存完毕后，移动到需要热量的环境下，在冷流体流经冷却腔室5 时，冷流体对脉动热管内冷凝端的热工质予以冷却，热工质冷却液化放热后在重力作用下返回脉动热管蒸发段，下部的气态工质又会补充上来，然后在冷凝端液化，液化后的回到蒸发端的工质在相变材料所蓄热量的加热下再次气化后又来填补脉动热管6冷凝端的冷凝空间，如此循环，实现热量的传递，在相变材料的热能释放过程中，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 (9)
1.一种基于脉动热管的可移动式蓄放热装置，其特征在于包括壳体、加热腔室、相变材料室、冷却腔室和脉动热管；加热腔室包含热流体导流板，冷却腔室包含冷流体导流板；所述加热腔室、相变材料室、冷却腔室和脉动热管设置于所述壳体内；所述加热腔室、相变材料室、冷却腔室通过不锈钢隔板隔开；至少一组所述脉动热管穿过不锈钢隔板置于所述加热腔室、相变材料室、冷却腔室内；所述脉动热管置于加热腔室和冷却腔室部分为直管段加弯头组成，所述脉动热管置于相变材料室部分均为直管段组成；所述脉动热管置于加热腔室部分为蒸发段，所述脉动热管置于相变材料室部分为绝热段，所述脉动热管置于冷却腔室部分为冷凝段。
2.根据权利要求 1 所述的基于脉动热管的可移动式蓄放热装置，其特征在于，冷却腔室、冷流体导流板和脉动热管的冷凝段构成所述基于脉动热管的可移动式蓄放热装置的冷凝部分，所述冷却腔室内流入冷流体，冷流体在冷却腔室内沿导流板绕行，延长与脉动热管冷凝段的接触时间达到充分换热目的；所述冷却腔室的一端设有冷流体进口和冷流体出口。
3.根据权利要求 1 所述的基于脉动热管的可移动式蓄放热装置，其特征在于，加热腔室、热流体导流板和脉动热管的蒸发段构成所述基于脉动热管的可移动式蓄放热装置的加热部分，所述加热腔室内流入热流体，热流体在加热腔室内沿导流板绕行，延长与脉动热管蒸发段的接触时间达到充分换热目的；所述加热腔室的一端设有热流体进口和热流体出口。
4.根据权利要求1所述的基于脉动热管的可移动式蓄放热装置，其特征在于，所述加热腔室、相变材料室、冷却腔室的高度比例为2.5-1:5-6:2.5-3。
5.根据权利要求 1 所述的基于脉动热管的可移动式蓄放热装置，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头首尾相连而成多弯闭合回路，所述竖向通道的个数为10-100 个。
6.根据权利要求5所述的基于脉动热管的可移动式蓄放热装置，其特征在于，所述毛细管的材料为不锈钢或者紫铜，内径为2-5mm。
7.一种基于脉动热管的可移动式蓄放热装置的蓄放热方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、吸收热量：废热热流体流经所述加热腔室内释放热量，所述脉动热管内工质在蒸发段吸收该热流体的热量后气化，然后在所述脉动热管冷凝段内冷凝释放该热量，又由所述相变材料室内的相变材料吸收；
步骤二、储存热量：所述脉动热管内的工质气化后以气塞或者液塞的形式向脉动热管的绝热段和冷凝段流动，所述脉动热管内的工质在所述脉动热管内的绝热段冷凝过程中将热量释放于相变材料室的相变材料中，相变材料吸收热量后温度慢慢升高，温度升高到相变点开始融化，相变材料在融化的过程中大量的吸收热量并予以储存；脉动热管内的工质释放热量后冷凝为液体，然后以液塞或者液膜的形式在重力作用下又返回到所述脉动热管的蒸发端，工质在脉动热管内不断的气化和冷凝，如此循环，实现从热流体把热量转移到装置的相变材料中；
步骤三、转移热量：装置内所述相变材料在相变过程中能储存大量热量，然后把所储存的热量从热量多余的地方转移到热量缺少的地方使用，或者在热量多余的时候储存起来，在热量缺少的时候释放出来使用；
步骤四、释放热量：冷却流体流经装置所述冷却腔室，吸收和转移相变材料储存的热量，因脉动热管的冷凝端置于所述冷却腔室中，脉动热管冷凝端内的气态工质因为冷却后迅速冷凝，并在重力作用下回流到脉动热管蒸发端，脉动热管蒸发端和绝热段外围处于融化状态的相变材料会慢慢凝固，在凝固的过程中释放大量的热量，脉动热管内的工质在相变材料凝固过程中所释放热量的加热下气化，然后迅速填补到脉动热管的冷凝端，所述脉动热管内工质从所述脉动热管冷凝端再次被冷却腔室内流动的冷却流体冷却冷凝，然后在重力下又回所述脉动热管蒸发端被加热气化，然后又回到所述脉动热管的冷凝端，如此反复，实现把相变材料所储存的热量释放到冷却流体中，发挥废热的价值。
8.根据权利要求7所述的一种基于脉动热管的可移动式蓄放热装置的蓄放热方法，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。
9.根据权利要求7所述的一种基于脉动热管的可移动式蓄放热装置的蓄放热方法，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，所述相变材料的相变温度高于所述冷流体的温度。
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