CN107764112A - 一种平板热管、制作方法及相变蓄放热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种平板热管、制作方法及相变蓄放热装置。其中，平板热管包括内、外侧板及格栅，格栅与内、外侧板的内壁固定连接，将平板热管内腔分隔成多个相互连通的腔，内、外侧板的内壁设有多个凸起，相邻凸起或格栅与凸起之间形成凹槽。相变蓄放热装置，包括：交换装置、水管、箱体；其中，交换装置固定在箱体内部，交换装置与水管固定连接，水管的端部伸出箱体；其中，水管包括上、下水管，上水管固定安装在交换装置上部，下水管固定安装在交换装置下部；箱体和交换装置之间填充有蓄放热介质。
Description
技术领域
本发明涉及一种散热元件、散热原件制作方法及其应用，尤其是一种平板热管、平板热管制作方法及使用该平板热管制成的相变蓄放热装置。
背景技术
目前，出于节能减排及环保的目的，常规能源的充分利用受到极大关注，蓄热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要途径之一。该技术主要应用于太阳能储存、电力“削峰填谷”、工业废热和余热的回收等领域。蓄热方式大体分为显热蓄热、潜热蓄热和化学蓄热。其中潜热蓄热，即相变蓄热，具有蓄热密度大、温度变化小、容易控制等优点，已广泛应用于各类研究和工程中。
相变蓄热方式中，评价一套蓄热系统是否高效，不仅要求能够快速的完成能量的储存和释放，更应该是在满足这种要求的前提下尽量保证对二次能源的最低消耗。相变储能技术的骨架是蓄热系统结构，就目前而言，绝大多数的蓄热系统主要以盘管为主要换热结构，体积大、阻力大、成本高，由于盘管管径小、弯头多、管道长造成阻力大、热性能的提高不明显，所以优化蓄热系统的结构也是人们一直在尝试和探索的方向。
相变储能技术研究的另一方面是相变蓄热材料，目前，绝大多数无机相变材料具有腐蚀性且在相变过程中会发生过冷和相分离问题，严重限制其在工业中的广泛应用，而有机相变材料具有腐蚀性小、相变过程中几乎没有过冷和相分离的优点，且化学性能稳定、价格便宜，因此，在电力削峰填谷、工业余热回收、太阳能利用、建筑节能等领域，应用更加广泛的是有机相变材料。但有机相变材料普遍存在导热系数低的缺点，使其在储能系统的应用中传热性能差、蓄热量利用率低，从而降低了系统的能效。
发明内容
本发明提供一种易于成型、结构紧凑、不易变形的平板热管。
本发明所述的平板热管包括内、外侧板及格栅，格栅与内、外侧板的内壁固定连接，将平板热管内腔分隔成多个相互连通的腔，内、外侧板的内壁设有多个凸起，相邻凸起或格栅与凸起之间形成凹槽。
优选地，所述凸起为半圆柱形或者所述凹槽为半圆柱形，平板热管结构更稳定，不易变形。
优选地，平板热管为铝制，采用铝制造易于一体挤压成型，具有轻巧、排列紧凑等优点，更无须焊接，减少了工序，成本进一步降低。
优选地，左侧板、右侧板厚度为2-3mm，由于具有格栅，左侧板、右侧板厚度降低到2-3mm仍能保持良好的不易变形特性，并且大幅降低了成本。
本发明的平板热管由于左、右侧板内壁均设置了多个凸起，并且格栅与左、右侧板内壁固定连接，凸起及格栅均起到了加强筋的作用，以致热管承压能力很强，高达5Mpa。
本发明提供一种平板热管制作方法：
第一步，采用挤压工艺经模具挤压制成扁管；
第二步，将扁管一端封口；
第三步，将扁管与抽真空系统连接，经过分子泵抽真空至10-4Pa；抽真空系统由真空分子泵，三通阀，带刻度的输液管组成；
第四步，旋转三通阀，关闭抽真空管路，将液体灌入扁管中；
第五步，关闭三通阀，将扁管封口。
本发明的平板热管经基本性能测试发现，其具备优良的等温性(1K/m)和很强的集热能力，热响应时间短(5s以内)。热管厚度仅为2-3mm，从而使得集热器更紧凑，轻便，低廉。热管内部承压能力可达到10MPa以上，最大热流密度可达100W/cm2。
本发明的平板热管在传热方面有以下几个突出的优势：高导热性、优良的等温性、热密度可变性、热流方向的可逆性、恒温均温性、能使源汇分开，冷热流体之间不互相混杂、适应的温度范围以及环境范围广。
本发明还提供一种相变蓄放热装置，包括：交换装置、水管、箱体；其中，交换装置固定在箱体内部，交换装置与水管固定连接，水管的端部伸出箱体；其中，水管包括上、下水管，上水管固定安装在交换装置上部，下水管固定安装在交换装置下部；箱体和交换装置之间填充有蓄放热介质(相变材料)。交换装置、水管与箱体间填充蓄放热介质后，提升了蓄放热效果。
优选地，所述蓄放热介质是天然石蜡，天然石蜡作为蓄热介质，性能稳定，无污染，无排放，蓄放热稳定。
优选地，所述箱体为钢板制成的长方体，具有盖板和多个侧板，便于安装、拆卸或放置
优选地，侧板活动连接，便于拆卸。
优选地，水管端部伸出箱体的部位，水管与箱体之间采用橡胶挤压式密封。
优选地，箱体具有外保温，所述外保温采用聚氨酯发泡处理。
优选地，所述交换装置包括：翅片、平板热管；多个平行排列的翅片垂直固定安装在平板热板外侧板的外表面；平板热板的内侧板与水管紧密地固定；平板热板的上部为冷凝段、下部为蒸发段；上水管固定安装在冷凝段，下水管固定安装在蒸发段下部。
更优选地，水管两侧均与安装了多个平行排列翅片的平板热管固定，水管两侧均与平板热管固定，能源利用率更高。
更优选地，每一上、下水管为一组，该相变蓄放热装置可以包括多组水管，水管之间采用串联、并联方式联接或串并联混合连接，每个水管均与平板热管、多个翅片采用如上的连接方式，能获得更优的能源转化率。
更优选地，所述相变蓄放热装置以串联及/或并联方式使用时，每个相变蓄放热装置的大小由下述方式计算确定：
第一步，计算总蓄热量：
Q＝mPCM[cPCM,L(tf-tmelt)+hPCM+cPCM,S(tmelt-ti)]
其中，m为相变材料质量；cρ,l为液体相变材料比热；cρ,s为固体相变材料比热；ti为相变材料初始温度；tmelt为相变材料熔化温度；tf为相变材料终止始温度；hPCM为相变材料潜热；
第二步，计算蓄热所需电功率：
P电＝Q/τ
式中τ为蓄热时间；
第三步，计算放热功率
Q＝cm水Δt
其中，Δt为放热温差；
第四步，根据相变材料的密度设计相变蓄热装置尺寸。
本发明的平板热管是依靠液体工质相变来传递热量的传热元件，因此液体工质的热物理性质对于热管的工作性能有着重要的影响，欲选定一种适宜的液体工质，首先要考虑的是蒸汽运行的温度范围。
本发明的相变蓄放热装置具有如下优点：利用天然石蜡作为蓄热介质，性能稳定，无污染，无排放；蓄放热稳定。热管作为导热体阻力小，导热快。低成本，利用谷电蓄热；安全可靠，独特设计，常压运行；智能控制，与自动化控制结合使用，全智能化控制。
本发明将热管引入相变蓄热换热器作为传热元件，热管(Heat Pipe，简称HP)是一种高效传热元件，它依靠内部工质的相变潜热把大量的热量从一端传到另一端。除传热效率高之外，它还具有紧凑、轻便、无噪声、无传动部件等特点；因此被广泛地应用在能源、动力、低温、医学、电子、化工、航天、食品等领域，以满足各个领域散热、冷却、加热和温度控制等多方面需求。热管的种类很多，一般根据管内工质回流方式可分为标准热管、重力辅助热管、两相热虹吸管、旋转热管、渗透热管、电流体动力热管、磁流体动力热管等等。本研究中用到的热管是两相热虹吸管，即重力热管。
本发明彻底改变传统蓄热器的设计理念，设计一种新型的平板微热管相变蓄热换热装置，预期这种新型的高效蓄放热装置具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为平板热管立体图；
图2为图1沿AA线剖视图；
图3为图1沿BB线剖视图；
图4为平板热管制作方法流程图；
图5为一相变蓄放热装置的交换装置与水管安装示意图；
图6为另一相变蓄放热装置的交换装置与水管安装示意图；
图7为相变蓄放热装置立体图；
图8为相变蓄放热装置连接示意图；
图9为相变蓄放热装置运行原理示意图。
主要元件符号说明：
1 平板热管
1a、1b 内、外侧板
1c 格栅
1d 凸起
1e 凹槽
1f 腔
1g 冷凝段
1h 蒸发段
1k 液体在腔内的运动方向
S1、S2、S3、S4、S5 步骤
2 相变蓄热装置
3 翅片
4 水管
4a、4b 上、下水管
5 箱体
5a 盖板
5b 侧护板
6 装置组
7 交换装置
具体实施方式
为了便于本领域一般技术人员理解和实现本发明，现结合附图及具体实施例进一步描述本发明所述平板热管、平板热管制作方法及由平板热管制作的相变蓄放热装置。
如图1、图2所示为一种平板热管1，包括内、外侧板1a、1b及格栅1c，格栅1c与内、外侧板1a、1b的内壁固定连接，将平板热管内腔分隔成多个相互连通的腔1f，内、外侧板1a、1b的内壁均设有多个凸起1d，相邻凸起1d之间或格栅1c与凸起1d之间形成了凹槽1e。
如图2所示，凸起1d及凹槽1e均为长方体柱形。凸起1d及凹槽1e还可以为半圆柱形(即：切面为半圆形)。
平板热管为铝制，采用铝制造易于一体挤压成型，具有轻巧、排列紧凑等优点，更无须焊接，减少了工序，成本进一步降低。
内、外侧板1a、1b的厚度为2-3mm，由于具有格栅1c，内、外侧板1a、1b厚度降低到2-3mm仍能保持良好的不易变形特性，并且大幅降低了成本。
本发明的平板热管由于内、外侧板1a、1b内壁均设置了多个凸起1d，并且格栅1c与内、外侧板1a、1b内壁固定连接，凸起1d及格栅1c均起到了加强筋的作用，以致热管承压能力很强，高达5Mpa。
本发明的平板热管经基本性能测试发现，其具备优良的等温性(1K/m)和很强的集热能力，热响应时间短(5s以内)。热管厚度仅为2-3mm，从而使得集热器更紧凑，轻便，低廉。热管内部承压能力可达到10MPa以上，最大热流密度可达100W/cm2。
本发明的平板热管在传热方面有以下几个突出的优势：高导热性、优良的等温性、热密度可变性、热流方向的可逆性、恒温均温性、能使源汇分开，冷热流体之间不互相混杂、适应的温度范围以及环境范围广。
如图4所示一种平板热管制作方法：
S1，采用挤压工艺经模具挤压制成扁管；
S2，将扁管一端封口；
S3，将扁管与抽真空系统连接，经过分子泵抽真空至10-4Pa；抽真空系统由真空分子泵，三通阀，带刻度的输液管组成；
S4，旋转三通阀，关闭抽真空管路，将液体灌入扁管中；
S5，关闭三通阀，将扁管封口。
如图7所示为一种相变蓄放热装置2，包括：交换装置7、水管4、箱体5；水管4的端部伸出箱体5，其中，水管包括上、下水管4a、4b；交换装置7在箱体5的内部(图中未示出)，箱体5和交换装置7之间填充有蓄放热介质：天然石蜡8(图中未示出)。
如图5、图6所示为一相变蓄放热装置的交换装置7与水管4的安装示意图。交换装置7包括：翅片3、平板热管1；多个平行排列的翅片3垂直固定安装在平板热板1外侧板1b的外表面，平板热板1内侧板1a与水管4固定连接。
图6中，水管4的两侧均安装了交换装置7，用于提升热转换效率，能源利用率更高。
如图3所示，平板热板1的上部为冷凝段1g、下部为蒸发段1h。
如图5所示，多个平行排列的翅片3垂直固定于平板热管1外侧板1b的外表面，水管4包括上、下水管4a、4b，上水管4a固定安装在冷凝段1g，下水管4b固定安装在蒸发段1h的下部，液体在腔内沿图3所示的1k方向运动。
该相变蓄放热装置可以根据水管4的长短串联安装多个交换装置7。
如图7、图8所示，当水管4构成复杂管路时，多个相变蓄放热装置2构成装置组6，其中：每一上、下水管4a、4b为一组，多组水管4之间可采用串联、并联方式联接或串并联混合连接，每个水管4均与交换装置7采用如前所述的连接方式，能获得更优的能源转化率。
如图7所示，该装置还包括箱体5，箱体5为3mm厚的钢板制成的长方体，具有盖板5a和多个侧护板5b，进出箱体5的水管4与箱体间采用橡胶挤压式密封。
盖板5a与侧护板5b活动连接，便于拆卸；也可以是部分侧护板5b为活动安装。
水管4与箱体5采用橡胶挤压式密封，箱体5还具有厚度为80mm的外保温(图中未示出)，本实施例中，所述外保温采用聚氨酯发泡处理。
如图8所示，当水管4形成的管路庞大并且复杂时，需要串联及/或并联多个装置组，每个装置组的大小由下述方式计算确定：
第一步，计算总蓄热量：
Q＝mPCM[cPCM,L(tf-tmelt)+hPCM+cPCM,S(tmelt-ti)]
其中，m为相变材料质量，设计计算取mPCM＝1000kg；cρ,l为液体相变材料比热，设计计算取cPCM,L＝2.66kJ/(kg·℃)kJ/(kg·℃)；cρ,s为固体相变材料比热，设计计算取cPCM,S＝2.66kJ/(kg·℃)；ti为相变材料初始温度，设计计算取ti＝35℃；tmelt为相变材料熔化温度，设计计算取tmelt＝60℃；tf为相变材料终止始温度，设计计算取tf＝85℃；hPCM为相变材料潜热，设计计算取198.9kJ/kg。
于是得到设计蓄放热量为
Q＝1000×[2.66×(85-60)+198.9+2.66×(60-35)]≈332000kJ
第二步，计算蓄热所需电功率：
若蓄热时间为8h，完成蓄热所需的电功率为
P电＝Q/τ
式中τ为蓄热时间，设计计算取τ＝8h。
P电＝Q/τ＝332000×103/(8×3600)≈11.5kW
蓄热采用风电或夜间谷电(晚23时至次日7时)。
第三步，计算放热功率
采用循环水作为放热介质，由
Q＝cm水Δt
其中，c为水比热容取4.18kJ/(kg·℃)，Δt为放热温差，设计计算取Δt＝30℃。
这就是说，在前文给定条件下，1吨相变材料所蓄的热量相当于2.27吨35℃的水所蓄的热量。
放热功率，若1h将所蓄有用热量释放，则放热功率为
P＝Q/τ＝332000×103/(1×3600)≈92kW
第四步，设计相变蓄热装置
相变材料密度为0.8kg/m3，体积约为1000/0.8＝1.25m3，考虑热管和翅片所含体积加上10％的热膨胀率，设备的总体积约V＝1.5m3，取长方体，尺寸为：
0.5m×2m×1.5m
如图9所示为相变蓄放热装置运行原理示意图，相变蓄放热装置的运行过程如下：
由于相变蓄放热装置的核心部件及平板热管的传热特性为由下向上，平板热管为微阵列平板热管，所以该相变蓄放热装置分为蓄热和取热两种工况。
蓄热工况：高温循环水流经底部的下水管，下水管内的热水通过管壁传递到平板热管，平板热管通过多个翅片构成的翅片阵列把热量换给相变材料，达到蓄热的目的。
取热工况：平板热管通过多个翅片构成的翅片阵列与相变材料换热，并把热量向上传递到上部的上水管，循环水流经上部的上水管将热量带走，达到取热的目的。
上述蓄放热装置可根据需要的相变温度选择熔点不同的各型号石蜡(相变材料)，例如：分别取相变温度60℃和40℃，前者蓄放热温差取30℃，可用于热水供应或地板供暖；后者蓄放热温差取20℃，可用于供应热泵。
本发明的平板热管是依靠液体工质相变来传递热量的传热元件，因此液体工质的热物理性质对于热管的工作性能有着重要的影响，欲选定一种适宜的液体工质，首先要考虑的是蒸汽运行的温度范围。
本发明的相变蓄放热装置具有如下优点：
1平板热管在传热方面有以下几个突出的优势：高导热性、优良的等温性、热密度可变性、热流方向的可逆性、恒温均温性、能使源汇分开，冷热流体之间不互相混杂、适应的温度范围以及环境范围广。
2、相变蓄放热装置具有如下优点：利用天然石蜡作为蓄热介质，性能稳定，无污染，无排放；蓄放热稳定。热管作为导热体阻力小，导热快。低成本，利用谷电蓄热；安全可靠，独特设计，常压运行；智能控制，与自动化控制结合使用，全智能化控制。
Claims (10)
1.一种平板热管，其特征在于，包括：
内、外侧板及格栅，
格栅与内、外侧板的内壁固定连接，将平板热管内腔分隔成多个相互连通的腔，
内、外侧板的内壁设有多个凸起，
相邻凸起或格栅与凸起之间形成凹槽。
2.如权利要求1所述的平板热管，其特征在于，所述凸起为半圆柱形或者所述凹槽为半圆柱形。
3.如权利要求1所述的平板热管，其特征在于，所述平板热管采用铝一体挤压成型，内、外侧板厚度为2-3mm。
4.一种平板热管制作方法，其特征在于，包括：
第一步，采用挤压工艺经模具挤压制成扁管；
第二步，将扁管一端封口；
第三步，将扁管与抽真空系统连接，经过分子泵抽真空至10-4Pa；抽真空系统由真空分子泵，三通阀，带刻度的输液管组成；
第四步，旋转三通阀，关闭抽真空管路，将液体灌入扁管中；
第五步，关闭三通阀，将扁管封口。
5.一种相变蓄放热装置，其特征在于，包括：
交换装置、水管、箱体；
交换装置在箱体内部，交换装置与水管固定连接，
水管的端部伸出箱体，其中，水管包括上、下水管，上水管固定安装在交换装置上部，下水管固定安装在交换装置下部，
箱体和交换装置之间填充有蓄放热介质。
6.如权利要求5所述的相变蓄放热装置，其特征在于，所述蓄放热介质是天然石蜡。
7.如权利要求5或6所述的相变蓄放热装置，其特征在于，所述交换装置包括：翅片、平板热管；
多个平行排列的翅片垂直固定安装在平板热板外侧板的外表面，
平板热板内侧板与水管固定连接，
平板热板的上部为冷凝段、下部为蒸发段；
上水管固定安装在冷凝段，下水管固定安装在蒸发段下部。
8.如权利要求7所述的相变蓄放热装置，其特征在于，每一上、下水管为一组，该相变蓄放热装置包括多组水管，水管之间采用串联、并联方式联接或串并联混合连接。
9.如权利要求7所述的相变蓄放热装置，其特征在于，所述相变蓄放热装置以串联及/或并联方式组合使用时，每个相变蓄放热装置的大小由下述方式计算确定：
第一步，计算总蓄热量：
Q＝mPCM[cPCM,L(tf-tmelt)+hPCM+cPCM,S(tmelt-ti)]
其中，m为相变材料质量；cρ,l为液体相变材料比热；cρ,s为固体相变材料比热；ti为相变材料初始温度；tmelt为相变材料熔化温度；tf为相变材料终止始温度；hPCM为相变材料潜热；
第二步，计算蓄热所需电功率：
P电＝Q/τ
式中τ为蓄热时间；
第三步，计算放热功率
Q＝cm水Δt
其中，Δt为放热温差；
第四步，根据相变材料的密度设计相变蓄热装置尺寸。
10.如权利要求8所述的相变蓄放热装置，其特征在于，所述箱体具有外保温，所述外保温采用聚氨酯发泡处理。
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