CN107631657A - 一种壳管式相变储能换热器 - Google Patents

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李椿
王志华
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Abstract

一种壳管式相变储能换热器，包括换热器外壳筒以及开设在其两侧的热源流体入口和热源流体出口，在换热器外壳筒的两侧上下侧壁上还分别开设有相变材料注入口和相变材料排出口，在换热器外壳筒内设置有若干组两端分别与热源流体入口、热源流体出口相连通的换热圆管，且在换热圆管外壁均匀分布有肋片。本发明通过设计换热圆管的排布，充分适应相变材料换热过程中流动及换热特性，使温度场与速度场协同作用，提高换热均匀性，增大换热速率。进一步，通过增设肋片，有效增大换热器换热面积，增大换热系数，强化对流换热。进一步通过设计肋片排布，充分利用肋片导流作用，增强多管束之间相互扰动，促进液相区域融会贯通，加快换热速率，提高换热效率。

Description

一种壳管式相变储能换热器
技术领域
本发明属于采暖设备强化领域，具体涉及一种壳管式相变储能换热器。
技术背景
能源是推动整个社会发展和经济增长的动力，在近两百年中，化石类能源始终充当着人类社会能源需求的主要供给者，但在利用过程中同时也存在诸多缺点如：储量有限、分布不均以及环境污染等。根据相关部门统计，我国自2011年起，煤炭类能源占能源总体比例呈逐年下降趋势，而风、核、太阳能等新兴能源的占比呈整体上升态势。但是，供选择的清洁能源在利用过程中常出现时间、空间不匹配的矛盾，如太阳能风能的间歇性、稀薄性，电力的峰谷负荷等，限制了其推广应用。储能技术就是采用适当的方式，利用特定的装置，将暂时不用的或者多余的热能通过一定的储能材料储存起来，等到需要时再利用的方法。它在能量富集时收集储存，在能量短缺时再释放出来，具有显著的节能环保效益，符合能源可持续发展的要求。在克服太阳能、风能等能源的间歇性、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用等领域有着广泛应用。蓄热技术的核心是由换热器和储热介质(因显热单位热储量太少，所以多利用相变材料的潜热来存储能量)构成的蓄热系统。壳管式换热器由于耐高温、耐高压、结构简单、清洗方便，储量较大而具有高达的可靠性和广泛的适应性，尤其当用于蓄热时，换热效果更好。但当前换热短板在于蓄热材料自身导热系数较低，主要的强化措施有：向材料中添加高导热系数物质增强整体导热性能；增设肋片增大换热面积；采用组合式蓄热系统促进能量等速利用等。
尽管国内外学者对相变材料的强化传热做了大量研究，但是大部分的强化工作都是集中于单元平板或环管式，思想也都来自对传统热传导或自然对流的增强，而忽略了多管束相互之间的热扰作用对整体储放热性能的影响，导致相变储能装置体积庞大，实际应用过程中不能够有效减小占地，限制其在城市中的应用。因此需要通过改进换热器，使设备更加紧凑，效率进一步提高。
发明内容
针对当前相变蓄热换热器体积庞大，换热效率低下的问题，本发明的目的在于提供一种更加紧凑、高效的壳管式相变储能换热器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括换热器外壳筒以及开设在其两侧的热源流体入口和热源流体出口，在换热器外壳筒的两侧上下侧壁上还分别开设有相变材料注入口和相变材料排出口，在换热器外壳筒内设置有若干组两端分别与热源流体入口、热源流体出口相连通的换热圆管，且在换热圆管外壁均匀分布有肋片。
所述的换热器外壳筒中的换热圆管之间充注有相变蓄热材料，换热圆管内通入热源流体，所述的相变蓄热材料为固-液型相变材料。
所述的肋片为等截面直肋。
所述的换热圆管周围布置的肋片数量为两个或四个。
所述的换热圆管周围布置肋片数目为两个，两个肋片采用竖直方向布置。
所述的换热圆管周围布置肋片数目为四个，四个肋片分别按照竖直及水平方向布置。
所述的肋片的肋高与换热圆管半径之比为1.3-1.7:1。
所述的换热圆管在换热器外壳筒内的布置方式为下方密度大于上方的密度即上疏下密。
所述的换热器外壳筒两侧分别安装有左、右端盖，热源流体入口和热源流体出口分别开设在左、右端盖上。
本发明通过换热圆管的排布，使其更符合相变材料换热过程中流动和换热特性，通过增设肋片，发挥肋片导流作用，促进多管束之间相互扰动及相变材料自然对流作用，能够促进壳管式换热器在相变储能系统中的应用，提高换热均匀性，有效缩短储能所需时间，减少换热死角，减小换热设备体积，使系统更加紧凑，显著提高换热效率。
本发明能够充分利用壳管式换热器容积大，耐高温、耐高压、结构简单、清洗方便，以及具有高达的可靠性和广泛的适应性的优点，从而应用于实际储能工程。
进一步，参照其换热特性——相变材料换热过程中由于密度差的影响会发生流动，即依靠换热管管间热扰及蓄热材料发生自然对流增强换热。因此，对换热圆管在外壳筒中的排布作出调整，使得换热器下方换热管密度高于上方，从而适应其流动及换热特性，加速换热。
进一步，增设肋片，增大换热面积。在热源管周围布置若干根肋片(每根换热管周围布置2或4根肋片)，通过增大换热面积能够减少换热时间。
进一步，由于肋片对储能工质存在一定的导流作用，促进了流体在整个换热器内的循环及液相区域的融会贯通。与传统肋片相比，本发明的肋片布置方式能够充分发挥肋片导流、扰动及增大换热面积的作用，同时减少对相变材料流动的阻碍，有效提高了换热效率，加快换热速率，减小熔化死角的体积。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为二肋式壳管式换热器截面图。
图3为四肋式壳管式换热器截面图。
其中，1为左端盖，2为换热器外壳筒，3为右端盖，4为换热圆管，5为肋片，6为相变储能材料，7为热源流体入口，8为热源流体出口，9为相变材料注入口，10为相变材料排出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，2，本发明包括两则安装有左、右端盖1、3的换热器外壳筒2，在左、右端盖1、3上开设有热源流体入、出口7、8，在换热器外壳筒2内安装有若干组两侧与热源流体入、出口7、8相连通的换热圆管4，在换热圆管4外壁上均匀分布有肋片5，在换热器外壳筒2的两侧上下侧壁上还分别开设有相变材料注入口9和相变材料排出口10，换热圆管4内流动热源流体，换热圆管4间冲注有相变蓄热材料。
当相变蓄热材料由相变材料注入口9注入达到要求量后关闭，相变材料排出口10常闭。热源流体由热源流体入口7流入换热器，经过左端盖1均匀分液，流入换热圆管4，与相变材料换热，经过右端盖3收集并从热源流体出口8流出。
参见图2，蓄热工况下，换热前中期，相变蓄热材料已经熔化的液相材料密度减小，在密度差作用下，液相材料不断向上涌动，冲刷上部固相材料，导致换热圆管4上方的换热强度高于下方，换热器上部换热速率高于下部。在换热器底部，由于换热强度较低，容易形成熔化死角。凝固工况下，主导换热方式为导热，热源管排布对其影响较小。因此，对热源管进行排布时首先优先换热器下部，使换热圆管4在换热器下部更为密集，从而提高换热器整体换热速率及换热量，减小熔化死角的产生。
通过增设肋片5能够增大换热面积进而有效提高换热量。不同的肋片5不仅影响换热面积的大小，同时会对换热过程中相变材料的流动产生影响。本实例展示了一种二肋式热源管，即在换热圆管4外表面设置有两根等截面肋片5。经过模拟分析，两根肋片5竖直排布，且肋高为换热圆管4半径的1.5倍时换热效果较强。在蓄热工况中，二肋式热源管能够利用其自身较大的换热面积及肋片5对液相材料的导流作用促进相变材料在换热器中的流动与换热。凝固工况中，主导换热方式为导热，相变材料流动较弱，肋片的排布对其换热效率及速率影响不大，本实例仍能够通过换热面积的增加保证较高的换热速率及换热量。
参见图3，本实例展示了一种四肋式换热圆管，即在换热圆管4周围均匀设置四根等截面肋片5。其中，肋片5分别沿竖直和水平方向布置。
蓄热工况下，由上所述，换热进行时，液相材料会由于密度差作用产生流动，导致换热器上部换热强度高于下部，本实例仍然优先保证换热器下部换热圆管4的排布，以减小换热死角的产生。换热过程中，四根肋片5将换热圆管4周围分为四个小部分，已经熔化的液相材料分别在四个小部分当中产生流动，形成四个小涡流，有利于增大换热速率。另外由于水平方向及竖直方向均设置有肋片5，因此，在换热圆管4周围四个方向内换热能力均比较强，整体换热效果更佳。
放热工况中，主导换热方式为导热，四肋式换热圆管4进一步增大换热面积，促进液相材料的凝固。
总体来看，双肋式依靠整个换热区域中材料循环、涌动增强换热，四肋式依靠在换热圆管5周围形成材料小涡流提高换热系数及四个方向有效增大换热面积从而提高换热效率。与传统肋片相比，不仅促进速度场与温度场的协同作用，同时弱化了换热器结构对材料流动的阻碍，能够有效强化换热。
本发明所提供的壳管式相变储能换热器及两种实例，充分适应相变材料换热过程中流动及换热特性，使温度场与速度场协同作用，提高换热均匀性，增大换热速率。进一步，通过增设肋片，有效增大换热器换热面积，增大换热系数，强化对流换热。进一步通过设计肋片排布，充分利用肋片导流作用，增强多管束之间相互扰动，促进液相区域融会贯通，加快换热速率，提高换热效率。

Claims (9)

1.一种壳管式相变储能换热器，其特征在于：包括换热器外壳筒(2)以及开设在其两侧的热源流体入口(7)和热源流体出口(8)，在换热器外壳筒(2)的两侧上下侧壁上还分别开设有相变材料注入口(9)和相变材料排出口(10)，在换热器外壳筒(2)内设置有若干组两端分别与热源流体入口(7)、热源流体出口(8)相连通的换热圆管(4)，且在换热圆管(4)外壁均匀分布有肋片(5)。
2.根据权利要求1所述的壳管式相变储能换热器，其特征在于：所述的换热器外壳筒(2)中的换热圆管(4)之间充注有相变蓄热材料，换热圆管(4)内通入热源流体，所述的相变蓄热材料为固-液型相变材料。
3.根据权利要求1所述的壳管式相变储能换热器，其特征在于：所述的肋片(5)为等截面直肋。
4.根据权利要求1所述的壳管式相变储能换热器，其特征在于：所述的换热圆管(4)周围布置的肋片(5)数量为两个或四个。
5.根据权利要求4所述的壳管式相变储能换热器，其特征在于：所述的换热圆管(4)周围布置肋片(5)数目为两个，两个肋片采用竖直方向布置。
6.根据权利要求4所述的壳管式相变储能换热器，其特征在于：所述的换热圆管(4)周围布置肋片(5)数目为四个，四个肋片分别按照竖直及水平方向布置。
7.根据权利要求1或4所述的壳管式相变储能换热器，其特征在于：所述的肋片(5)的肋高与换热圆管(4)半径之比为1.3-1.7:1。
8.根据权利要求1所述的壳管式相变储能换热器，其特征在于：所述的换热圆管(4)在换热器外壳筒(2)内的布置方式为下方密度大于上方的密度即上疏下密。
9.根据权利要求1所述的壳管式相变储能换热器，其特征在于：所述的换热器外壳筒(2)两侧分别安装有左、右端盖(1、3)，热源流体入口(7)和热源流体出口(8)分别开设在左、右端盖(1、3)上。
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