CN107449305A - 储热单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种储热单元，至少包括单层封闭壳体。其中，封闭壳体具有至少一个换热面和非换热面，泡沫骨架填充在其内部空间中。相变介质均匀分布在泡沫骨架的空隙中，与泡沫骨架形成复合材料，以获得比单纯相变介质更高的导热系数。超声波发生装置发出超声波，诱导由形状记忆合金制成的振动颗粒产生振动，将液态相变介质的流态由自然对流或纯导热转化为强制对流，同时利用超声波的空化和声流效应提高液态相变介质的对流表面传热系数。采用本发明储热单元的设备可显著提高单位体积储热效率。

Description

储热单元
技术领域
本发明涉及一种高效储热单元，以及使用该储热单元的换热器。
背景技术
目前的储热器分为显热式与相变潜热式，其中固-液相变潜热式储热器以其高储热密度和稳定温控等优点，成为相变储热器的主流。相变换热过程主要以导热和对流换热为主，因此相变材料的导热性能以及对流特性至关重要。常见的相变材料导热系数极低，极大地限制了储热器的储热效率。专利CN104140786A通过在相变材料中添加纳米颗粒与高导热多孔材料以提高有效导热系数，可将相变材料的导热系数提高40％-50％。但是，此类方法强化换热效果不明显，其单位体积换热效率并没有得到大幅度提高。
专利CN102777874A提出了一种应用于相变储热器的储热器核心部件的改良结构，将石蜡填充在泡沫石墨骨架中。该设计可大幅度提高储热器的传热性能，等效导热系数达到了135W/(m.K)。虽然该储热器效果良好，但由于泡沫石墨的价格昂贵，且需要利用真空银钎焊与储热器吸热表面连接，造成此类储热器的成本极高。只能应用于军工或者航天等特殊领域，难以大规模推向市场。
专利JP3076847B1提出了一种应用于蓄热槽的改良结构，在蓄热槽内封装由金属、陶瓷、矿石等制成的固体片，在超声波的激发下，固体片可在蓄热介质中振动。该设计可将液态相变材料的流态由自然对流转化为强制对流，将热量快速传入相变介质内部。
发明内容
本发明的针对相变储热器换热效率低，相变材料导热性能差等问题，提供一种高导热、高换热效率的储热单元。该单元用于相变储热器等以热流体或高温火焰或辐射作为热源的换热设备中，将显著提高传热性能，降低制造成本。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
提供一种储热单元，至少包括单层封闭壳体。其中，封闭壳体具有至少一个换热面，泡沫骨架填充在封闭壳体的内部空间中；相变介质均匀分布在泡沫骨架的空隙中，与泡沫骨架形成复合材料，以获得比单纯相变介质更高的导热系数；振动颗粒由形状记忆合金制成，其被压制为条状后采用过滤法被填入泡沫铜骨架的空隙中；超声波发生装置发出超声波，诱导所述振动颗粒产生振动，将液态相变介质的流态由自然对流或纯导热转化为强制对流，同时利用超声波的空化和声流效应提高液态相变介质(6)的对流表面传热系数。
优选方案进一步包括如下任一技术特征:
所述单层封闭壳体的换热面和非换热面由相同的金属或非金属材料制成，其中非换热面外围包裹绝热材料；或者换热面和非换热面由不同材料制成，其中换热面材料的导热系数高于非换热面材料的导热系数。
所述泡沫骨架选用高导热系数的材料，可由高导热系数的金属(泡沫铜骨架或者泡沫铝骨架)或非金属材料(泡沫石墨骨架)制成，或者为高导热系数材料丝网(铜丝、不锈钢丝)。
所述相变介质由在一定温度下可发生相变化且至少有一相为液相，并吸收或释放潜热的材料制成。
所述振动颗粒的冷态形状可为枝状、环形、弧形或者十字架状。将其在常温条件下压制为条状后采用过滤法加入至泡沫骨架中，然后利用其高温变形能力，加热并冷却后恢复冷态形状，卡在泡沫骨架内部，保证所述振动颗粒的稳定性，防止其从所述泡沫骨架中脱落。
所述形状记忆合金颗粒的振动动力可由外界超声波、交变电磁场或电动机代替超声波发生装置提供，或可由所述振动颗粒自身提供。
所述超声波发生装置是消耗电能的超声波发生器，或者是自供能的热声转化装置。
消耗电能的超声波发生器是利用超声波发生装置将工频交流电转换为高频交流电，再利用超声波换能器将高频交流电转换为同频率的超声波。自供能的热声转化装置是利用热在弹性介质(常为高压惰性气体)中引起声学自激振荡产生超声波。
所述换热面可设置翅片或进行表面处理。
本发明同时提供一种选用上述储热器的相变储热装置。
本发明还提供一种利用超声波激发颗粒共振强化相变换热的储热单元，其特征在于，包括三种强化换热手段：利用泡沫铜骨架的高导热性提高相变介质的有效导热系数；利用超声波的空化和声流效应提高液态石蜡与固体石蜡的对流表面传热系数；利用超声波激发形状记忆合金小颗粒的振动从而产生强化声流的效应，将液态石蜡由自然对流或纯导热转化为强制对流，进一步提高表面传热系数。
泡沫铜骨架与均匀分布在其中的石蜡形成复合材料，导热性提高。将镍钛形状记忆合金十字状颗粒压制为线段后采用过滤法将其加入泡沫铜骨架中，然后利用其变形能力，加热后恢复十字状，固定在其内部。利用超声波激发形状记忆合金小颗粒振动。冷/热流体换热通道内部可利用翅片、表面处理以及流道设计提高换热效率。
本发明利用形状记忆合金在不同温度下能够改变形状的特性，使振动颗粒易填充到泡沫骨架中，且在工作过程中不易掉出，具有稳定性。
流经冷/热流体换热通道的集热工质与制冷工质与换热面进行换热，并传递至泡沫铜骨架及石蜡复合物，在形状记忆合金小颗粒的共振下而处于强制对流状态的液态石蜡通过对流换热吸收热量。
本发明所述的利用超声波激发颗粒共振强化相变换热的储热单元包括不锈钢壳体、泡沫铜骨架、形状记忆合金振动小颗粒及相变材料复合物。泡沫铜骨架与石蜡形成高导热系数复合材料，由超声波换能器转化为超声波经传导钢板进入相变材料，利用超声波的空化和声流效应提高液态石蜡的对流表面传热系数；形状记忆合金小颗粒发生振动现象，产生强化声流效应并将液态石蜡的流态由自然对流或纯导热转化为强制对流，进一步提高表面传热系数。
与仅采用相变材料复合物以强化换热的储热器相比，在单纯施加超声波的情况下，本发明的单位体积换热效率提高了20％；在添加形状记忆合金颗粒的情况下，由于颗粒的振动，在前者的基础上本发明单位体积换热效率又提高了1.2倍。
本发明与常规金属网骨架储热器相比，在成本仅增加2％的情况下，将单位体积换热效率提高到原来的2.6倍以上；与泡沫石墨骨架储热器相比，本发明同体积换热效率可维持在此类储热器储热效率的82％，而成本仅为13％。本发明解决了换热效果与成本间的矛盾，且结构紧凑、适用范围广。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是一种利用超声波激发颗粒共振强化相变换热的储热单元的结构示意图；
图3是本发明一处较佳实施例的系统结构示意图。
附图1中各部件的标记如下：1、热源；2、壳体；3、振动颗粒；4、泡沫骨架；5、振动源；6、相变介质；7、冷源；8、吸热面；9、放热面；10、环境；05、超声波发生装置。
附图2中各部件的标记如下：01、不锈钢壳体；02、泡沫铜骨架及石蜡复合物；03、形状记忆合金振动颗粒；04、工频交流电源；05、超声波发生装置；06、冷/热流体换热通道；07、超声波传导钢板；08、超声波换能器；09、高频交流电供电线路。
附图3中各部件的标记如下：001、高功率光纤激光器；002、电磁阀；003、流体泵；004、热流体流动管道；01、不锈钢壳体；02、泡沫铜骨架及石蜡复合物；03、形状记忆合金振动颗粒；05、超声波发生装置；06、冷/热流体换热通道；08、超声波换能器；005、压缩机；006、制冷流体流动管道；007、节流阀；008、冷凝器；009、散热片；010、散热风扇。
具体实施方式
本发明提供的储热单元如附图1所示。
储热器包括单层封闭壳体。壳体2的内部空间填充高导热系数的泡沫骨架4，并充入相变介质6，该介质可在一定温度下发生相变化且至少有一相为液相，在相变过程中吸收或释放潜热。振动颗粒3存在于泡沫骨架4空隙中，与相变介质6紧密接触。通过吸热面8及与之连接的泡沫骨架4将热量导入储热器壳体内部，在外在或内在振动源5诱导下而产生振动的颗粒使液态相变介质的流态由自然对流(当储热单元处于太空失重条件下时，为纯导热)转化为强制对流，将热量快速传入相变介质6内部。冷源7通过放热面9及与之连接的泡沫骨架将热量导出储热器，导入到环境10中。
采用本发明储热器部件的一种相变储热器如附图2所示。
超声波激发颗粒共振强化对流换热的储热器包括不锈钢壳体01，泡沫铜骨架及相变介质复合物02，形状记忆合金振动颗粒03，工频交流电源04，超声波发生装置05，冷/热流体换热通道06，超声波传导钢板07，超声波换能器08高频交流电交流供电线路09。
不锈钢壳体01为长方体结构，外包裹隔热泡沫，相变介质均匀分布在泡沫铜骨架的空隙中，与铜骨架形成复合材料02提高导热性。形状记忆合金振动颗粒3材料为镍钛形状记忆合金，冷态形状为十字架状，压制为线段后采用过滤法将其加入泡沫铜骨架及相变介质复合物02中，然后利用其变形能力，加热后恢复十字状，固定在其内部。
铁基形状记忆合金颗粒属于铁磁性材料，易磁化。在交变电磁场的作用下，已磁化的记忆合金颗粒可随着磁场方向的变化振动；连接偏心轮的电动机可以产生机械振动，使整个储热单元产生振动，从而激发内部记忆合金颗粒振动；将形状记忆合金制成空心管状，内部填充高压惰性气体，当颗粒受热时，气体膨胀并产生首个压力扰动波前，向两端以声速传播。气体在两端换热后体积收缩，收缩的气体有向回运动的倾向。同时，第一个压力波前传播到谐振腔的端部而反射回来，反射波与气体收缩运动相叠加。在某一频率上产生正反馈加强，经若干个周期的重复加强后，达到饱和而形成持续的谐振波动，颗粒自身产生振动。
利用工频交流电源04向超声波发生装置05供电超声波发生装置05设有漏电保护装置，能产生高频交流电，通过高频交流电供电线路09向超声波换能器08供电。超声波换能器08能将高频交流电供电线路09提供的高频交流电转换为同频率的超声波。超声波传导钢板07厚度在3～5mm，设有利用氩弧焊连接的螺栓，配合超声波换能器专用胶水，与超声波换能器08紧密固定。超声波换能器08将电信号转化为超声波，经超声波传导钢板07传入储热器内部激发形状记忆合金振动颗粒03振动搅动液态石蜡强化换热。
流经冷/热流体换热通道的集热工质与制冷工质与经过表面处理布置有翅片的换热面进行换热，并传递至泡沫铜骨架及石蜡复合物，在形状记忆合金小颗粒的共振下而处于强制对流状态的液态石蜡通过对流换热吸收热量。
下面结合附图3对本发明的较佳实施例进行详细阐述，其中核心部件为上述储热器：
高功率光纤激光器001运行时放热，产生的热量传递至热流体流动管道004中的集热工质，以保证高功率光纤激光器001的温度恒定。热流体经流体泵003加压后，在热流体流动管道004中循环，根据高功率光纤激光器001的功率大小，利用电磁阀002调节热流体的流量。
左侧的热流体换热通道06的集热工质与经过表面处理布置有翅片的换热面进行换热，并传递至储热单元的泡沫铜骨架及石蜡复合物02，使紧贴泡沫铜骨架的固态石蜡发生相变转变为液态石蜡。超声波发生装置05产生高频交流电，超声波换能器08将高频交流电转化为同频率的超声波，经超声波传导钢板传入储热器内部激发形状记忆合金振动颗粒03振动搅动液态石蜡，使其流态由自然对流(当储热单元处于太空失重条件下时，为纯导热)转化为强制对流。热量通过对流换热经液态石蜡传递至未熔化的固态石蜡，将高功率光纤激光器001产生的热量快速转化为石蜡的液化潜热，储存在储热单元中。
高功率光纤激光器001运行结束后，超声波发生装置05关闭，超声波不再产生。制冷工质为低沸点物质，在制冷流体流动管道006中流动。热量从熔化的液态石蜡通过泡沫铜骨架向左侧的热流体换热通道06中的制冷介质传递，相当于蒸发器。制冷工质从蒸发器定压吸热汽化后，蒸发为干饱和蒸汽，再进入压缩机005在绝热状态下压缩，温度超过环境温度，然后进入冷凝器008，通过表面散热片009向环境介质等压散热，同时利用散热风扇010增强空气流动，散热储热单元中液态石蜡凝固，恢复到初始状态。在冷凝器008内，过热的制冷工质蒸汽先等压降温到对应于当前压力的饱和温度，然后继续等压(同时也是等温)冷凝成饱和液状态，进入节流阀007，在此处绝热节流降温、降压至对应于循环起始压力的湿饱和蒸汽状态，再进入蒸发器，完成循环。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种储热单元，至少包括单层封闭壳体，其特征在于：封闭壳体(2)具有至少一个换热面(8，9)和非换热面，泡沫骨架(4)填充在封闭壳体(2)的内部空间中；相变介质(6)均匀分布在泡沫骨架(4)的空隙中，与泡沫骨架(4)形成复合材料(02)，以获得比单纯相变介质(6)更高的导热系数；振动颗粒(3)由形状记忆合金制成，被压制为条状后采用过滤法被填入泡沫铜骨架(4)的空隙中；超声波发生装置(05)发出超声波，诱导所述振动颗粒(3)产生振动，将液态相变介质(6)的流态由自然对流或纯导热转化为强制对流，同时利用超声波的空化和声流效应提高液态相变介质(6)的对流表面传热系数。
2.根据权利要求1所述的储热单元，其特征在于：所述单层封闭壳体(2)的换热面(8，9)和非换热面由相同的金属或非金属材料制成，其中非换热面外围包裹绝热材料。
3.根据权利要求1所述的储热单元，其特征在于：所述单层封闭壳体(2)的换热面(8，9)和非换热面由不同材料制成，其中换热面(8，9)材料的导热系数高于非换热面材料的导热系数。
4.根据权利要求1所述的储热单元，其特征在于：所述泡沫骨架(4)由金属或非金属材料制成。
5.根据权利要求1所述的储热单元，其特征在于：所述泡沫骨架(4)为材料丝网。
6.根据权利要求1所述的储热单元，其特征在于：所述相变介质由在一定温度下可发生相变化且至少有一相为液相，并在相变过程中吸收或释放潜热的材料制成。
7.根据权利要求6所述的储热单元，其特征在于：所述相变介质(6)为石蜡、熔融盐、液态金属或易气化的有机物质。
8.根据权利要求1所述的储热单元，其特征在于：所述振动颗粒(3)的冷态形状可为枝状、环形、弧形或者十字架状，将其在常温条件下压制为条状后采用过滤法加入至泡沫骨架(4)中，然后利用其高温变形能力，加热并冷却后恢复冷态形状，卡在泡沫骨架(4)内部，保证所述振动颗粒(3)的稳定性，防止其从所述泡沫骨架(4)中脱落。
9.根据权利要求1所述的储热单元，其特征在于：所述振动颗粒(3)的振动动力可由外界超声波、交变电磁场或电动机代替超声波发生装置(05)提供，也可由所述振动颗粒(3)自身提供。
10.根据权利要求1所述的储热单元，其特征在于：所述超声波发生装置(05)是消耗电能的超声波发生器，或者是自供能的热声转化装置。
11.根据权利要求1所述的储热单元，其特征在于：换热面(8，9)可设置翅片或进行表面处理。
12.一种换热器，其特征在于，包括如权利要求1至11中任一项所述的储热单元。
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