CN106839851A - 一种自搅拌固液相变储热装置 - Google Patents

一种自搅拌固液相变储热装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种自搅拌固液相变储热装置，它包括储热室壳体，换热管道，自搅拌系统，储热材料，传热介质进口和传热介质出口；自搅拌系统安装于储热室壳体内；传热介质进口穿设储热室壳体底面与自搅拌系统的进口相通，自搅拌系统的出口与换热管道的进口相连通，换热管道的出口与传热介质出口相连通；传热介质出口穿设储热室壳体，与外部传热介质管道相通；储热材料封装于储热室壳体内。本发明结构简单，充放热迅速且效率高、可逆，即使储热材料容易产生相分离时，仍能确保储热材料的均匀稳定性，有效的降低了相变储热材料的过冷及相分离，保证储热室壳体温度分布均匀。

Description

一种自搅拌固液相变储热装置
技术领域
本发明涉及一种具有自搅拌功能的固液相变储热装置。
背景技术
太阳能光热技术是太阳能利用的又一重要方向，对于减少化石能源利用，缓解能源危机具有重要的作用。但是，太阳辐射受昼夜、天气、季节等因素的影响不能连续稳定的提供热量，为保证连续稳定的利用太阳能，提高热利用效率，太阳能热利用系统中都会配备储热系统。相变储热材料，是利用材料的相变来达到储存或释放能量的材料，它是在太阳能光热技术储热系统中重要的一环。固-液相变储热材料储能密度大，是使用最多的相变材料。但在使用过程中，一些固-液相变材料会出现相分离，这需要在储热装置中加入搅拌装置。搅拌装置的加入能够减少固液相变材料的相分离，而搅拌装置会相应的增加能耗。
目前，带有自搅拌功能的固液相变储热装置并不多见，尤其是以传热气体介质作为动力的自搅拌储热装置更是没有。因此对于新型的自搅拌固液相变储热装置的研究有待进一步开展。
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存在的不足而提供一种自搅拌固液相变储热装置，结构简单，充放热迅速且效率高、可逆，即使储热材料容易产生相分离时，仍能确保储热材料的均匀稳定性。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种自搅拌固液相变储热装置，它包括储热室壳体，换热管道，自搅拌系统，储热材料，传热介质进口和传热介质出口；自搅拌系统安装于储热室壳体内；传热介质进口穿设储热室壳体底面与自搅拌系统的进口相通，自搅拌系统的出口与换热管道的进口相连通，换热管道的出口与传热介质出口相连通；传热介质出口穿设储热室壳体，与外部传热介质管道相通；储热材料封装于储热室壳体内。
按上述方案，所述自搅拌系统包括转动箱、转动叶片、转动轴、转子，转动箱侧壁上设有自搅拌系统的进口和出口，转动叶片封装在转动箱内；转动轴位于转动箱中心与转动箱连接，转动叶片与转动轴连接固定，转子通过磁力吸附在转动箱的上端面上，转子可随转动叶片的转动而转动。
按上述方案，所述自搅拌系统设置有多个，多个自搅拌系统均匀分布并固定连接在储热室壳体底面上。
按上述方案，所述换热管道设置若干组，至少为一组，每一组换热管道均分为第一换热主管道、竖直均匀分布的若干个换热分支管道、第二换热主管道三部分；每一组换热管道中，若干个换热分支管道的进口均与第一换热主管道的出口相连通，若干个换热分支管道的出口均与第二换热主管道的进口相连通。
按上述方案，所述第一换热主管道的进口与单个自搅拌系统的出口相连通，第二换热主管道的出口与传热介质出口相连通。
按上述方案，所述的储热材料为固液相变储热材料，对液态情况下容易出现相分离的储热材料有较大的优势。
本发明所述自搅拌固液相变储热装置，主要应用于太阳能光热技术的储热系统中。
本发明中，所述的传热介质同时具有传热和作为自搅拌装置动力的功能。该传热介质经自搅拌系统的进口进入转动箱，依靠其产生的压力推动转动叶片以及转子的转动，以达到储热装置的自搅拌功能；当转动叶片转到转动箱出口处，传热介质进入换热管道中，以完成与储热材料的换热过程，故该传热介质具有传热和作为自搅拌装置动力的双重功能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用上述结构，其结构简单，充放热迅速且效率高、可逆，即使储热材料容易产生相分离时，仍能确保储热材料的均匀稳定性；采用自搅拌的储热装置，有效的降低了相变储热材料的过冷及相分离，保证储热室壳体温度分布均匀；同时搅拌装置的加入能够使换热更充分，提高充放热的效率。因此，本发明的储热装置安全可靠，热交换过程充分、可逆，换热效率高且成本低。
附图说明
图1是本发明所述自搅拌固液相变储热装置的纵向剖视示意图；
图2是本发明所述装置的自搅拌系统以及第一换热主管道等局部的俯视示意图；
图3是本发明所述装置的转动箱的横向剖视图。
其中，①传热介质出口，②第一换热主管道，③换热分支管道，④储热室壳体，⑤第二换热主管道⑤，⑥转子，⑦转动箱⑦，⑧转动叶片，⑨传热介质进口，储热材料，转动轴，自搅拌系统的进口，自搅拌系统的出口。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图1、图2所示，一种自搅拌固液相变储热装置，它包括储热室壳体④，换热管道，自搅拌系统，储热材料，传热介质进口⑨和传热介质出口①；自搅拌系统至少为一个，均匀分布并固定连接在储热室壳体④底面上；传热介质进口⑨穿设储热室壳体④底面与自搅拌系统的进口相通，传热介质出口穿设储热室壳体④与外部传热介质管道相通；储热材料封装于储热室壳体④内。
它包括储热室壳体④，换热管道，若干个自搅拌系统，储热材料，传热介质进口⑨和传热介质出口①；自搅拌系统均匀分布并安装在储热室壳体④底面上；传热介质进口⑨穿设储热室壳体④底面与自搅拌系统的进口相通，传热介质出口①穿设储热室壳体④，与外部传热介质管道相通；储热材料封装于储热室壳体④内。
其中，所述自搅拌系统包括转动箱⑦、转动叶片⑧、转动轴、转子⑥，转动箱⑦侧壁上设有自搅拌系统的进口和出口，转动叶片⑧封装在转动箱⑦内；转动轴位于转动箱⑦中心与转动箱⑦连接，转动叶片⑧与转动轴连接固定，转子⑥通过磁力吸附在转动箱⑦的上端面上，并随叶片转动。所述换热管道设置若干组，每一组换热管道均分为第一换热主管道②、竖直均匀分布的若干个换热分支管道③、第二换热主管道⑤三部分；每一组换热管道中，若干个换热分支管道③的进口均与第一换热主管道②的出口相连通，若干个换热分支管道③的出口均与第二换热主管道⑤的进口相连通；所述第一换热主管道②的进口与单个自搅拌系统的出口相连通，第二换热主管道②的出口与传热介质出口①相连通。
储热室壳体为圆柱状，采用304不锈钢，内部直径尺寸为Φ1000mm，高度为1000mm，壳体壁厚约为10mm；换热管道采用304不锈钢，第一和第二换热主管道的尺寸为Φ60mm×400mm，共16根，换热分支管道尺寸为Φ20mm×650mm，共32根；自搅拌系统中转动箱采用304不锈钢，尺寸为Φ400mm×150mm，壁厚为5mm，进口与出口均采用304不锈钢，尺寸为Φ60mm×96mm；转动叶片采用45钢，尺寸为190mm×5mm×140mm，转动轴同样采用45钢，其作用连接固定转动叶片，尺寸为Φ10mm×148mm；转子材料采用椭球形磁铁)，其长轴为370mm，短轴为100mm；传热介质进、出口采用45钢，尺寸为Φ120mm×50mm。
上述自搅拌固-液相变储热装置储热时，气体传热介质经进口进入转动箱内，依靠传热介质产生的气压来推动转动叶片转动，转过一定角度后经转动箱上的出口进入换热管道与相变材料换热，当温度达到其熔点时开始熔化并以相变潜热的方式存储热量。储热过程中，转动叶片的转动会带动磁性转子的转动，使相变储热材料处于搅拌的状态，以达到加速换热和防止相分离的目的。放热时，与储热过程相类似，气体传热介质在作为自搅拌动力的同时与相变储热材料换热，减少相分离，提高换热效率。
上述自搅拌固液相变储热装置的工作流程：根据装置的容积，称取一定量的Ba(OH)2·8H2O作为相变储热材料(相变储热材料占整个装置的储热室容积的70％)，将其封装于本实施例所述该自搅拌固液相变储热装置中，在储放热过程时从传热介质进口通入气体传热介质，经自搅拌系统到换热管道，最后经传热介质出口，完成换热过程。
经差热扫描量热仪(DSC)测量，该Ba(OH)2·8H2O相变储热材料单位质量潜热为265KJ/Kg，单位体积储热为582MJ/m3，相变温度为78℃，在相变过程中储热材料的储热量达到319.8MJ(该储热量数据是依据储热材料占整个装置的储热室容积的70％来进行模拟的结果)。储放热过程中，气体传热介质能作为动力，对熔融的相变材料进行搅拌，既避免出现相分离，且其换热效率达到95％以上，对比未加搅拌系统的装置换热效率提高了20％以上。自搅拌系统只需消耗运送传热介质的能量，搅拌装置不再另外耗能；而非自搅的系统，搅拌装置需要耗能，通过模拟计算，本发明所述装置与具有非自搅拌功能的储热装置相比，节能25％以上。
实施例2
与实施例1基本相同，不同之处在于：储热材料采用另一种低温无机水合盐：Na2SO4·10H2O。
经差热扫描量热仪(DSC)测量，储热材料单位质量潜热为251.1KJ/Kg，单位体积储热为366.1MJ/m3，相变温度为32℃。该材料容易出现相分离，储放热过程中，自搅拌装置的搅拌可以避免相变材料出现相分离，同时能使传热介质与储热材料充分接触，能将换热效率提高到90％以上。与具有非自搅拌功能的储热装置相比，该装置能节能20％以上。
实施例3
与实施例1基本相同，不同之处在于：储热材料采用水合盐相变储热材料：Na2CO3·7H2O。
差热扫描量热仪(DSC)测量，储热材料单位质量潜热为216.8KJ/Kg，单位体积储热为548.5MJ/m3，相变温度为38.5℃。该材料易出现相分离，因此自搅拌装置的搅拌避免相变材料出现相分离，同时能使传热介质与储热材料充分接触，能将换热效率提高到90％以上。与具有非自搅拌功能的储热装置相比，该装置能节能20％以上。
实施例4
与实施例1基本相同，不同之处在于：储热材料采用低温有机相变储热材料：硬脂酸。
差热扫描量热仪(DSC)测量，储热材料单位质量潜热为220KJ/Kg，单位体积储热为191.4MJ/m3，相变温度为70℃。因为该材料不易出现相分离，因此储放热过程中，自搅拌装置的最大作用是能使传热介质与储热材料充分接触，将换热效率提高10％以上。与普通固液储热装置相比，两者耗能相当。
实施例5
与实施例1基本相同，不同之处在于：储热材料采用低温有机相变储热材料：月桂酸。
差热扫描量热仪(DSC)测量，储热材料单位质量潜热为217.29KJ/Kg，单位体积储热为382.43MJ/m3，相变温度为52.5℃。该材料不易出现相分离，因此储放热过程中，自搅拌装置的最大作用是能使传热介质与储热材料充分接触，能将换热效率提高到90％以上。与普通固液储热装置相比，两者耗能相当。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种自搅拌固液相变储热装置，其特征在于它包括储热室壳体，换热管道，自搅拌系统，储热材料，传热介质进口和传热介质出口；自搅拌系统安装于储热室壳体内；传热介质进口穿设储热室壳体底面与自搅拌系统的进口相通，自搅拌系统的出口与换热管道的进口相连通，换热管道的出口与传热介质出口相连通；传热介质出口穿设储热室壳体，与外部传热介质管道相通；储热材料封装于储热室壳体内；所述自搅拌系统包括转动箱、转动叶片、转动轴、转子，转动箱侧壁上设有自搅拌系统的进口和出口，转动叶片封装在转动箱内；转动轴位于转动箱中心与转动箱连接，转动叶片与转动轴连接固定，转子通过磁力吸附在转动箱的上端面上。
2.根据权利要求1所述的一种自搅拌固液相变储热装置，其特征在于所述自搅拌系统设置有多个，多个自搅拌系统均匀分布并固定连接在储热室壳体底面上。
3.根据权利要求1或2所述的一种自搅拌固液相变储热装置，其特征在于所述换热管道设置若干组，至少为一组，每一组换热管道均分为第一换热主管道、竖直均匀分布的若干个换热分支管道、第二换热主管道三部分；每一组换热管道中，若干个换热分支管道的进口均与第一换热主管道的出口相连通，若干个换热分支管道的出口均与第二换热主管道的进口相连通。
4.根据权利要求3所述的一种自搅拌固液相变储热装置，其特征在于所述第一换热主管道的进口与单个自搅拌系统的出口相连通，第二换热主管道的出口与传热介质出口相连通。
5.根据权利要求1所述的一种自搅拌固液相变储热装置，其特征在于所述的储热材料为固液相变储热材料。
6.根据权利要求1所述的一种自搅拌固液相变储热装置，其特征在于所述的传热介质为气体。
7.权利要求1所述自搅拌固液相变储热装置在太阳能光热技术的储热系统中的应用。
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