CN107560477A - 一种相变蓄冷装置 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种相变蓄冷装置，包括蓄冷模块和外循环模块，所述外循环模块包括空调负荷，冷水机组、水泵、稳压阀和止回阀；所述蓄冷模块包括外壳、蓄冷槽、入水口、出水口、集水槽、共晶盐相变材料和三维网状流道；所述入水口和出水口设置在所述外壳上，所述蓄冷槽设置在所述外壳内，在所述蓄冷槽的两侧设置所述集水槽，所述三维网状流道配置在所述蓄冷槽内，所述蓄冷槽内非所述三维网状流道空间填充所述共晶盐相变材料。本发明既可以进行电力的移峰填谷从而保障电网安全、提高发电和输变电设备的效率并且有效利用了有限资源，同时降低了空调系统的运行费用，很好地实现了间歇性工作。

Description

一种相变蓄冷装置

技术领域

本发明涉及一种相变蓄冷装置，具体涉及的是一种具有三维网状流道结构特征的共晶盐蓄冷装置。

背景技术

近年来，我国缺电形势严峻，电力负荷曲线“峰谷差”巨大，电网运行的负荷率和经济性下降。我国连续多年的高峰负荷增加率大于发电量和售电量的增长率，负荷率和发电设备利用小时数过低。面对这种形势，我们不能只依靠新增装机容量来弥补，而必须错峰平谷，充分发挥现有发电设备的潜力。相变蓄冷装置有巨大的社会效益，具体表现为把谷期的电力储存起来供峰期使用，平衡电网峰谷差，因此可以减少新建电厂投资，提高现有发电设备和输变电设备的使用率，同时可以减少能源使用(特别是对于火力发电)引起的环境污染，充分利用有限的不可再生资源，有利于生态平衡。同时，相变蓄冷装置也有着巨大的经济效益：利用分时电价政策，可以大幅度的节省运行费用；减少制冷主机装机容量和功率高达30％～50％，并相应地减少冷却塔和冷却水泵等设备的装机容量和功率。共晶盐主要是由无机盐、水、促凝剂、稳定剂和增稠剂组成的混合物。共晶盐相变蓄冷的相变温度在0℃以上，相对冰蓄冷系统制冷剂效率高30％左右，虽然相变潜热比冰小，但容易与常规的制冷系统相结合，兼有水和冰蓄冷两种系统的优点，在蓄冷量相同的条件下，共晶盐方法较之水蓄冷方法，仅需三分之一的水容积和九分之一的水量。

然而共晶盐材料导热系数不大，传热性能较差，能量储放速度较低，导致热扩散慢，热流分布不均。一个交叉流道电热换热器中逆流进口最高流速能达到最低流速的3～4倍，流动不均导致热交换损失高达25％。

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的不足，而提供了一种具有三维网状流道结构特征的的共晶盐蓄冷装置，该蓄冷装置能提高蓄冷装置内的流动换热的场协同性，达到高效换热和节能作用。

技术方案

为解决蓄冷装置设计上存在的技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种相变蓄冷装置，包括蓄冷模块和外循环模块，所述外循环模块包括空调负荷，冷水机组、水泵、稳压阀和止回阀；所述蓄冷模块包括外壳、蓄冷槽、入水口、出水口、集水槽、共晶盐相变材料和三维网状流道；其特征在于：所述入水口和出水口设置在所述外壳上，所述蓄冷槽设置在所述外壳内，在所述蓄冷槽的两侧设置所述集水槽，所述三维网状流道配置在所述蓄冷槽内，所述蓄冷槽内非所述三维网状流道空间填充所述共晶盐相变材料，所述三维网状流道包括入口和出口，所述入口与所述入水口连接，所述出口与所述集水槽连接，在所述集水槽的末端连接在所述出水口；所述三维网状流道包括分级管道和分支点，第0级所述分级管道长度方向为X轴，截面上任意一对相互垂直的直径方向为Y轴和Z轴，第0级分级管道长度为l₀，直径为d₀；第k级所述分级管道经过平移，相对于所述分支点在长度方向上缩放倍、直径方向上缩放倍，绕Z轴旋转180°，此时，若k为偶数则直接生成第k+1级所述分级管道，若k为奇数则在所述已生成分级管道的基础上沿其两末端向Z轴负方向继续延伸的长度生成第k+1级所述分级管道，其中0≤k＜K，3≤K＜20，K为奇数；以XOY平面为对称平面，Z轴正方向为对称方向，将0～K级所述分级管道镜像，形成所述三维网状流道。

所述分级管道每一级在下一级的分支数目N，N＝2。

所述分级管道为圆管。

第k级所述分级管道与第k+1级所述分级管道的长度之比为其中，D为所述分级管道长度的分形维数，且1＜D＜3；第k级与第k+1级所述分级管道的直径之比为其中，Δ为所述分级管道的直径分形维数，2.3＜Δ≤3。

外壳包裹在相变蓄冷装置最外侧，在共晶盐相变材料相变为液相具有一定流动性时保证所述相变蓄冷装置不泄露和所述相变蓄冷装置的稳定性。外壳具备耐腐性好，耐共晶盐相变材料的膨胀和低温，与共晶盐相变材料的兼容性优越的特点。外壳可以使用的材料有高密度的聚乙烯。

共晶盐相变材料是由无机盐、水、促凝剂、稳定剂和增稠剂组成的混合物，具有较高的熔点(7℃左右)和相变潜热；较高的密度并且相变前后体积变化小；与传热相关的热物理性质比如比热容、黏度等良好；化学性质稳定并且能与相变容器材料兼容；不产生相分离以及大的过冷现象，结晶速率较高；要求材料来源广泛、便宜。可以使用的材料有以Na₂SO₄·10H₂O为主相变材料的T-41型(转熔点8.3℃)和T-43型(转熔点5℃)共晶盐相变材料。

三维网状流道包括分级管道和分支点。所述三维网状流道的级数为K，3≤K＜20，K为奇数。每一级所述分级管道在下一级的分支数目N，N＝2。所述分级管道为圆管。第k级所述分级管道与第k+1级所述分级管道的长度之比为

其中，D为所述分级管道长度的分形维数，且1＜D＜3，则有1.26＜γ＜2。第k级与第k+1级所述分级管道的直径之比为

其中，Δ为所述分级管道的直径分形维数，2.3＜Δ≤3，则有1.26≤β＜1.35。所述三维网状流道生成的原理为：对于所述分级管道进行缩放、旋转、平移三种仿射变换，变换矩阵表示如下：

(x′，y′，z′，1)＝(x，y，z，1)·T·Z·R (3)

其中

(x，y，z，1)为变换前节点坐标，(x′，y′，z′，1)为变换后节点坐标，T表示将所述分级管道平移，Z表示将该级所述分级管道相对于所述分支点(x_f，y_f，z_f，1)进行各方向不等比例的缩放，R表示所述分级管道分别绕z轴旋转度，并规定从坐标轴正半轴向原点看逆时针旋转为正。

其具体生成过程如下：①规定第0级所述分级管道长度方向为X轴，截面上任意一对相互垂直的直径方向为Y轴和Z轴，第0级分级管道长度为l₀，直径为d₀；②第k级所述分级管道经过平移，相对于所述分支点在长度方向上缩放倍、直径方向上缩放倍，绕Z轴旋转180。，此时，若k为偶数则直接生成第k+1级所述分级管道，若k为奇数则在所述已生成分级管道基础上的沿其两末端向Z轴负方向继续延伸的长度生成第k+1级所述分级管道，其中0≤k＜K③以XOY平面为对称平面，Z轴正方向为对称方向，将0～K级所述分级管道镜像，形成所述三维网状流道。

流体流经所述分支点时，在所述分支点附近产生回流和分离现象，形成二次流，也就是说中间层流体与近壁面流体之间形成漩涡，促进了所述三维网状流道中近壁面高温流体与中间层低温流体的相互混合，伴随着流体射流冲刷壁面，进而强化了流动换热。所述三维网状流道具有分流作用，使得比较于具有相同换热面积的传统平行阵列流道，流动长度大大缩小。所述流动长度的缩小不仅有效地抵消了分支点及每一级所述分级管道长度缩小所导致的压将损失，并且使得所述三维网状流道结构在总体上具有压降小的优势。在所述三维网络流道结构中，各级流道之间的换热相互影响，总体温差不大，温度均匀性良好。

所述稳压阀配置在所述蓄冷槽的入口处，防止所述水泵停止时高处水回流。

所述止回阀配置在所述蓄冷槽的出口处，防止所述水泵停止时高处水回流。

所述相变蓄冷装置可以使用的运行方式包括全量蓄冷和分量蓄冷。

本发明所述的蓄冷模块包括所述蓄冷模块包括蓄冷槽，所述蓄冷槽包括外壳，入水口，出水口，集水槽，共晶盐相变材料，三维网状流道。在电力谷期时，所述冷水机组被供电开始运行，4～6℃的冷水离开所述冷水机组，从所述入水口进入所述三维网状流道，在所述三维网状流道内与所述共晶盐相变材料对流换热，所述共晶盐相变材料由液相蓄冷相变为固相。所述共晶盐相变材料在相变时总是冷却到凝固点以下一定温度才开始结晶，所述三维网状流道良好的均温性使得所述共晶盐相变材料有足够的过冷度去推动结晶，防止了部分所述共晶盐相变材料无法结晶的现象。而所述共晶盐相变材料结晶时要放出大量的凝固热，所述三维网状流道优越的传热性能使得热量及时传走而不阻碍晶体的生长，有效弥补了所述共晶盐相变材料导热系数不大，传热性能较差，热扩散慢，热流分布不均的缺点。。所述冷水离开所述三维网状流道后，汇入所述集水槽，由所述出水口离开。离开所述蓄冷槽的所述冷水水温为7～8℃。在电力峰期时，所述空调负荷回流热水。10～12℃的所述回流热水在所述水泵的作用下，从所述入水口进入所述三维网状流道，在所述三维网状流道内与所述共晶盐相变材料发对流换热，所述共晶盐相变材料由固相释冷相变为液相。所述回流热水离开所述三维网状流道后，汇入所述集水槽，由所述出水口离开。离开所述蓄冷槽的所述回流热水水温为7～8℃。通过所述共晶盐相变材料的相变过程，将谷期电力存储起来供峰期使用，平衡电网峰谷差，满足电力部门移峰填谷的要求。通过所述三维网状流道使所述冷水和回流热水与所述共晶盐相变材料充分传热，扩大了传热面积，提高了所述三维网状流道内外流动换热的场协同性，达到高效蓄冷和节能作用。

所述外循环模块包括空调负荷，冷水机组，水泵，稳压阀和止回阀。在电力谷期时，所述冷水机组被供电开始运行产生冷水。打开所述稳压阀，所述冷水通过所述稳压阀进入所述蓄冷槽。当所述稳压阀后压力升高时，所述稳压阀阀门开度减小；当所述稳压阀后压力减小，所述稳压阀阀门开度增大。所述冷水离开所述蓄冷槽通过所述止回阀，在所述水泵的作用下回到所述冷水机组重新降温成为冷水。当所述止回阀进口侧压力低于出口侧时，阀瓣在流体压差、本身重力等因素作用下自动关闭以防止流体倒流。在电力峰期时，所述空调负荷回流热水。所述回流热水在所述水泵的作用下，通过所述稳压阀进入所述蓄冷槽。当所述稳压阀后压力升高时，所述稳压阀阀门开度减小；当所述稳压阀后压力减小，所述稳压阀阀门开度增大。所述回流热水离开所述蓄冷槽通过所述止回阀，在所述水泵的作用下回到所述空调负荷继续使用。当所述止回阀进口侧压力低于出口侧时，阀瓣在流体压差、本身重力等因素作用下自动关闭以防止流体倒流。

有益效果：

本发明涉及的一种具有三维网状流道结构特征的共晶盐相变蓄冷装置。用电谷期时冷水机组通电生产的冷水/用电峰期空调负荷回流的热水，在水泵的作用下，流入三维网状流道与共晶盐相变材料换热，流经三维网状流道的分支点时，在分支点附近产生回流和分离现象，形成二次流，也就是说中间层流体与近壁面流体之间形成漩涡，促进了三维网状流道中近壁面高温流体与中间层低温流体的相互混合，伴随着流体射流冲刷壁面，进而强化了流动换热。三维网状流道具有分流作用，使得比较于具有相同换热面积的传统平行阵列流道，流动长度大大缩小。流动长度的缩小不仅有效地抵消了分支点及每一级流道长度缩小所导致的压将损失，并且使得三维网状流道结构在总体上具有压降小的优势。在三维网络流道结构中，各级流道之间的换热相互影响，总体温差不大，温度均匀性良好。共晶盐相变材料与三维网状结构中的流体换热后发生相变，在相变时总是冷却到凝固点以下一定温度才开始结晶，三维网状流道良好的均温性使得共晶盐相变材料有足够的过冷度去推动结晶，防止了部分共晶盐相变材料无法结晶的现象。而共晶盐相变材料结晶时要放出大量的凝固热，三维网状流道优越的传热性能使得热量及时传走而不阻碍晶体的生长，有效弥补了共晶盐相变材料导热系数不大，传热性能较差，热扩散慢，热流分布不均的缺点。共晶盐相变材料在电力谷期液相相变为固相时蓄冷，电力峰期固相相变为液相时释冷，既可以进行电力的移峰填谷从而保障电网安全、提高发电和输变电设备的效率并且有效利用了有限资源，同时降低了空调系统的运行费用，很好地实现了间歇性工作。分别配置在蓄冷槽的入口和出口的稳压阀和止回阀，防止水泵停止时高处水回流。

附图说明

图1共晶盐相变蓄冷装置示意图；

图2蓄冷模块侧视示意图；

图3一级三维网状流道生成示意图，其中图3(a)为第0级分级管道示意图；图3(b)为第1级分级管道的生成过程示意图；图3(c)为第1级分级管道生成完成示意图；图3(d)为一级三维网状流道示意图；

图4三级三维网状流道立体图；

图中，1.空调负荷；2.冷水机组；3.稳压阀；4.蓄冷槽；5.止回阀；6.水泵；7.外壳；8.共晶盐相变材料；9.入水口；10.三维网状流道；11.出水口；12.集水槽；13.分支点；14.流道；15.XOY平面；16.X轴；17.Y轴；18.Z轴；19.第0级分级管道；20.已生成管道；21.第1级分级管道；22.第2级分级管道；23.第3级分级管道。

具体实施方式

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

图1给出了共晶盐相变蓄冷装置的示意图，包括蓄冷模块和外循环模块两部分。在电力谷期时，冷水机组2被供电开始运行产生冷水。打开稳压阀3，冷水通过稳压阀3进入蓄冷槽4，利用蓄冷槽4内封装的共晶盐相变材料8相变蓄冷。当稳压阀3后压力升高时，稳压阀3阀门开度减小；当稳压阀3后压力减小，稳压阀3阀门开度增大。冷水离开蓄冷槽4通过止回阀5，在水泵6的作用下回到冷水机组2重新降温成为冷水。当止回阀5进口侧压力低于出口侧时，阀瓣在流体压差、本身重力等因素作用下自动关闭以防止流体倒流。在电力峰期时，空调负荷1回流热水。回流热水在水泵6的作用下，通过稳压阀3进入蓄冷槽4，利用共晶盐相变材料8相变将水温度降低。当稳压阀3后压力升高时，稳压阀3阀门开度减小；当稳压阀3后压力减小，稳压阀3阀门开度增大。回流热水离开蓄冷槽4通过止回阀5，在水泵6的作用下回到空调负荷1继续使用。当止回阀5进口侧压力低于出口侧时，阀瓣在流体压差、本身重力等因素作用下自动关闭以防止流体倒流。

图2给出了蓄冷模块的侧视示意图。蓄冷模块包括蓄冷槽4，蓄冷槽4包括外壳7，入水口9，出水口11，集水槽12，共晶盐相变材料8，三维网状流道10。三维网状流道10配置在蓄冷槽4内，集水槽12配置在三维网状流道10下侧，蓄冷槽4内非三维网状流道10和集水槽12空间填充共晶盐相变材料8，并留有一定空隙(共晶盐相变材料8相变时体积变化很小)。在电力谷期时，冷水机组2被供电开始运行，4～6℃的冷水离开冷水机组2，从入水口9进入三维网状流道10，在三维网状流道10内与共晶盐相变材料8对流换热，共晶盐相变材料8由液相蓄冷相变为固相。冷水离开三维网状流道10后，汇入集水槽12，由出水口11离开。离开蓄冷槽4的冷水水温为7～8℃。在电力峰期时，空调负荷1回流热水。10～12℃的回流热水在水泵6的作用下，从入水口9进入三维网状流道10，在三维网状流道10内与共晶盐相变材料8发对流换热，共晶盐相变材料8由固相释冷相变为液相。回流热水离开三维网状流道10后，汇入集水槽12，由出水口11离开。离开蓄冷槽4的回流热水水温为7～8℃。通过共晶盐相变材料8的相变过程，将谷期电力存储起来供峰期使用，平衡电网峰谷差，满足电力部门移峰填谷的要求。通过三维网状流道10使冷水和回流热水与共晶盐相变材料8充分传热，扩大了传热面积，提高了三维网状流道10内外流动换热的场协同性，达到高效蓄冷和节能作用。

图3(a)～(d)给出了一个一级三维网状流道10的生成过程示意图。规定第0级分级管道19长度方向为X轴16，截面上任意一对相互垂直的直径方向为Y轴17和Z轴18；第0级分级管道19经过平移，相对于分支点13在长度方向上缩放倍、直径方向上缩放绕Z轴18旋转180°，并在已生成管道20的基础上在其两端向Z轴18负方向继续延伸的长度生成第1级管道21；以XOY平面15为对称平面，Z轴18正方向为对称方向，将0～1级分级管道镜像，形成K＝1的三维网状流道。

图4给出了三级三维网状流道10立体图。流体从入水口9进入，经过第0级分级管道19，第1级分级管道21，第2级分级管道22，从第3级分级管道23流出。流体流经分支点13时，在分支点13附近产生回流和分离现象，形成二次流，也就是说中间层流体与近壁面流体之间形成漩涡，促进了流道14中近壁面高温流体与中间层低温流体的相互混合，伴随着流体射流冲刷壁面，进而强化了流动换热。三维网状流道10具有分流作用，使得比较于具有相同换热面积的传统平行阵列流道，流动长度大大缩小。流动长度的缩小不仅有效地抵消了分支点13及每一级流道长度缩小所导致的压将损失，并且使得三维网状流道10结构在总体上具有压降小的优势。在三维网络流道10结构中，各级分级管道之间的换热相互影响，总体温差不大，温度均匀性良好。

Claims (5)

1.一种相变蓄冷装置，包括蓄冷模块和外循环模块，所述外循环模块包括空调负荷，冷水机组、水泵、稳压阀和止回阀；所述蓄冷模块包括外壳、蓄冷槽、入水口、出水口、集水槽、共晶盐相变材料和三维网状流道；其特征在于：所述入水口和出水口设置在所述外壳上，所述蓄冷槽设置在所述外壳内，在所述蓄冷槽的两侧设置所述集水槽，所述三维网状流道配置在所述蓄冷槽内，所述蓄冷槽内非所述三维网状流道空间填充所述共晶盐相变材料，所述三维网状流道包括入口和出口，所述入口与所述入水口连接，所述出口与所述集水槽连接，在所述集水槽的末端连接在所述出水口；所述三维网状流道包括分级管道和分支点，第0级所述分级管道长度方向为X轴，截面上任意一对相互垂直的直径方向为Y轴和Z轴，第0级分级管道长度为l₀，直径为d₀；第k级所述分级管道经过平移，相对于所述分支点在长度方向上缩放倍、直径方向上缩放倍，绕Z轴旋转180°，此时，若k为偶数则直接生成第k+1级所述分级管道，若k为奇数则在所述已生成分级管道的基础上沿其两末端向Z轴负方向继续延伸的长度生成第k+1级所述分级管道，其中0≤k＜K，3≤K＜20，K为奇数；以XOY平面为对称平面，Z轴正方向为对称方向，将0～K级所述分级管道镜像，形成所述三维网状流道。

2.根据权利要求1所述的相变蓄冷装置，其特征在于：所述分级管道每一级在下一级的分支数目N，N＝2。

3.根据权利要求2所述的相变蓄冷装置，其特征在于：所述分级管道为圆管。

4.根据权利要求2所述的相变蓄冷装置，其特征在于：第k级所述分级管道与第k+1级所述分级管道的长度之比为其中，D为所述分级管道长度的分形维数，且1＜D＜3；第k级与第k+1级所述分级管道的直径之比为其中，Δ为所述分级管道的直径分形维数，2.3＜Δ≤3。

5.根据权利要求1所述的相变蓄冷装置，其特征在于：共所述晶盐相变材料是由无机盐、水、促凝剂、稳定剂和增稠剂组成的混合物。