CN107062971B - 一种高效相变储能封装体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效相变储能封装体，封装体整体外观为红细胞形态，并由外层的壳体及填充于内部的相变材料两部分组成。封装体为两面中间凹陷的圆饼状，中间凹陷，边缘为圆环状，厚度大于中间凹陷的厚度，封装体内填充相变储能材料。相比传统的球状或柱状封装体，其特殊的仿生学构造使得其比表面积较大，且内部传热热阻较小，从而使换热效率大幅提升；同时该构造也大幅度降低了其外表面传热流体的流动阻力。利用本发明提供的一种高效相变储能封装体制作的储能单元，能够进行高效的热能存储，并且结构简单，易于推广及使用。

Description

一种高效相变储能封装体
技术领域
本发明涉及相变储能技术领域，尤其涉及一种高效相变储能封装体。
背景技术
在当今，清洁能源的开发与利用已成为全球关注的重点。然而，可再生能源，如风能，太阳能，潮汐能等新能源往往存在着间歇性与周期性的问题，这使得能源的需求与供应不能适时的匹配。储能系统能够在能量供应充足的情况下储存多余的能量，然后在能量供应不足的情况下释放出来，是一种有效解决上述能量供需不匹配问题的技术方案。目前常见的储能系统包括显热储能系统及潜热储能系统。其中，潜热储能系统主要利用相变材料的相变潜热进行能量存储，相比于显热蓄能系统，潜热(相变)储能系统具有蓄能密度高，蓄能与释能过程近似等温的优点。因而，该技术在太阳能热利用、工业余热回收、采暖及空调等节能领域中有着广泛的应用前景。
在相变储能系统中，堆积床式相变储能换热器是一种最为常见的储能装置。相变储能封装体是该装置的基本储能单元，它主要由外部的包覆壳体及填充于内部的相变材料组成。其中壳体主要起到传热及对相变材料进行隔绝的作用，而相变材料主要起到储能的作用。实际应用中，大量相变储能封装体单元(常见的有球形及柱形封装)堆积在保温性能良好的床体中便组成了一个堆积床式相变储能系统。在该系统中，传热流体流经各个单元及床体组成的孔隙中，并与封装体内部的相变材料进行换热。该装置的主要优点在于结构简单、储能密度高、经济性好。然而，由于球形或柱形封装体比表面积较小，因而单位体积的相变材料的换热面积往往较小，不利于换热的进行。为此，常见的解决方法是减小封装体的等效直径，从而使换热加强，但相应地，流动阻力会增加且储能密度也会下降。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种高效相变储能封装体。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种高效相变储能封装体。
研究发现人体血液中的红细胞是一种高效的氧气输运单元，同时红细胞结构本身就是一种封装结构：血红蛋白包覆于细胞膜中，其中细胞膜起到氧气传质的作用，而血红蛋白起到氧气存储的作用。红细胞的高效氧气输运能力主要得益于其特殊的结构形式：两面中间凹陷的圆饼状，中间凹陷较薄,边缘较厚的结构。经历了漫长的生物进化过程，这种结构一方面大幅度地提高了红细胞的比表面积，从而有效地提高氧气的存储与释放效率；另一方面，它的特殊结构也能尽量减小在血浆中的流动阻力，从而使得氧气输运的效率大幅提高。
本发明基于仿生学的原理，提出了一种红细胞形态的相变储能封装体，以用于堆积床式相变储能系统。同时，由于传热传质在原理上的相似性，这样的一种红细胞形态结构的封装形式也可以延伸应用于包含流动及传热/传质的应用中，如化学催化反应釜及一些污染物吸附器中。
为实现上述目的，本发明提供了一种高效相变储能封装体，经过大量的试验测试与模拟分析，确定了该封装体的最佳结构参数，使得该封装体相比于传统的球形或柱形封装体的比表面积大幅增加，而其流动阻力却被有效地降低。
在本发明的较佳实施方式中，一种高效相变储能封装体，封装体整体外观为红细胞形态，封装体主要由外层的壳体及填充于内部的相变材料两部分组成。
优选地，红细胞形态的封装体为两面中间凹的圆饼状，中心对称且轴对称，中间凹陷，边缘为圆环状，厚度大于中间凹陷的厚度。
优选地，封装体壳体的外表面光滑无棱角，以降低对外部流体的摩擦阻力。
优选地，封装体的大小可以根据实际的储能量及储能速率需求进行设定，中间凹陷厚度：边缘最大厚度：封装体直径满足1:2:7的尺寸要求。
优选地，封装体中间凹陷内侧到封装体中心距离H，封装体边缘处内侧到封装体中心最大半径L，封装体中间凹陷处内侧半径R2，封装体边缘处内侧半径R1之间需满足(R2+H)2+(L-R1)2＝(R1+R2)2的关系。
优选地，封装体壳体的材料可以根据所选取的相变材料进行自由选取，封装体壳体材料与相变材料之间无化学反应，导热性能良好。
优选地，封装体中所选的相变材料为固液相变材料。
优选地，所述的填充于内部的相变材料的相变温度介于热源温度及热用户需求温度之间。
其中，热源温度是为相变材料提供可吸取热量的环境的温度；热用户需求温度是根据热用户需求，通过相变材料释放吸取的热量后达到的环境温度。
优选地，所述的相变材料填充量可根据固液相变的体积变化来适量填充，以防固液相变过程中的体积膨胀。
优选地，含有固液相变储能材料的封装体可以应用于堆积床式相变储能系统。
优选地，含有固液相变储能材料的封装体可以制作储能单元并延伸应用于包含流动及传热/传质的系统。
技术效果
从上述技术方案可以看出，本发明是一种高效的相变储能封装体，整体外观呈红细胞形状，内部填充固液相变储能材料，其特殊的结构参数既保证了换热的速率，同时也兼顾降低外部流体的流动阻力。在实际应用中，可以根据实际储能的需求，方便的将多个红细胞形相变储能封装体单元堆积在一起形成堆积床式相变储能系统。同时，由于传热传质在原理上的相似性，这样的一种红细胞形结构的封装形式也可以延伸应用于包含流动及传热/传质的应用中，如化学催化反应釜及一些污染物吸附器中。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的高效相变储能封装体的三维模型图；
图2是本发明的一个较佳实施例的高效相变储能封装体的剖视图。
附图标记：1壳体，2相变材料。
具体实施方式
实施例
如图1、图2所示，图1是高效相变储能封装体的三维模型图，整体像一个红细胞，呈两面中间凹陷的圆饼状，中间凹陷，边缘为圆环状，厚度大于中间凹陷的厚度，表面光滑，可以降低对外部流体的摩擦阻力。图2是高效相变储能封装体的剖面图。从剖面图中可以看出，该结构是由红细胞形态的壳体1及填充于内部的相变材料2组成。而其几何模型的1/4截面是由边缘的内侧半径为R1的小圆弧与中间凹陷的内侧半径为R2的大圆弧相切而成，封装体中间凹陷内侧到封装体中心距离为H，封装体边缘处内侧到封装体中心最大半径为L，以上四个参数之间满足(R2+H)2+(L-R1)2＝(R1+R2)2的关系。红细胞形的封装体不论是处在中间或者处在边缘的位置的相变材料2与外壁面距离都较为均衡，平均距离更小，表面积体积比更大，因此会使换热更加迅速、均匀。
封装体的壳体1材料是ABS树脂，其厚度δ为0.5mm。封装体用3D打印技术制作。
在实施例中，如图2所示，改变H、R2、L以及R1之间的相对大小可以调整封装体的凹陷程度，改变其表面积体积比。通过大量实验与理论研究，确定了最佳的参数比例为H:R1:L＝1:2:7。具体的H、R1、R2和L分别为4、8、44和28mm。
在实施例中，相变材料为癸酸-月桂酸-棕榈酸共融相变蓄冷材料(摩尔配比为70.7：22.3：7，相变温度约为15℃，焓值为120kJ/kg，导热系数为0.145w/m·K)，相变材料占整个封装体的90％的体积，合重25.5g，有效相变蓄冷量为3024J。
实施效果：将该含有相变材料的红细胞形封装体放入水浴中进行蓄冷测试。水浴的温度从20℃降到7℃，封装体的相变材料由液态变为固态，迅速完成蓄冷过程，封装体内温度分布较为均匀，结果表明将本发明中的高效相变储能封装体用于空调系统后，蓄冷功率较传统的球形封装体提高了97.4％。
从上述技术方案可以看出，本发明为一种高效相变储能封装体，有着仿生学的优点。相比于传统的球形或柱形封装，本发明中高效相变储能封装体表面积大，储能率快，且外表面对于传热流体的阻力更小；同时，具体根据实际储能需求，方便地将多个封装体制作成为储能单元，堆积在填充床中，满足不同的使用需求。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高效相变储能封装体，其特征在于，所述封装体的整体外观为红细胞形态，并由外层的壳体及填充于内部的相变材料部分两组成；所述红细胞形态为两面中间凹陷的圆饼状，中心对称且轴对称，边缘厚度大于中间凹陷厚度；所述封装体的壳体的外表面整体光滑无棱角；所述封装体的中间凹陷厚度：边缘的最大厚度：封装体的直径满足1:2:7的尺寸要求。
2.如权利要求1所述的一种高效相变储能封装体，其中所述封装体的中间凹陷内侧到所述封装体中心距离H、所述封装体的边缘的内侧到所述封装体的中心最大半径L、所述封装体的中间凹陷的内侧半径R2、所述封装体的边缘的内侧半径R1之间需满足(R2+H)2+(L-R1)2＝(R1+R2)2的关系。
3.如权利要求1所述的一种高效相变储能封装体，其中所述封装体的壳体材料与相变材料之间无化学反应。
4.如权利要求1所述的一种高效相变储能封装体，其中所述封装体中包含的相变材料为固液相变材料。
5.如权利要求1所述的一种高效相变储能封装体，其中所述相变材料的相变温度介于热源温度及热用户需求温度之间。
6.如权利要求1所述的一种高效相变储能封装体在堆积床式相变储能系统中的应用。
7.如权利要求1所述的一种高效相变储能封装体在制作储能单元及包含流动及传热/传质的系统中的应用。
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