CN108302969B - 一种分形网状相变储能装置 - Google Patents

一种分形网状相变储能装置 Download PDF

Info

Publication number
CN108302969B
CN108302969B CN201810115040.9A CN201810115040A CN108302969B CN 108302969 B CN108302969 B CN 108302969B CN 201810115040 A CN201810115040 A CN 201810115040A CN 108302969 B CN108302969 B CN 108302969B
Authority
CN
China
Prior art keywords
heat transfer
transfer fin
phase
energy
grade
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810115040.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108302969A (zh
Inventor
张程宾
陶建云
于程
陈舜嘉
张子文
李�杰
孙美美
肖念何
史旭鹏
王贺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN201810115040.9A priority Critical patent/CN108302969B/zh
Publication of CN108302969A publication Critical patent/CN108302969A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108302969B publication Critical patent/CN108302969B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
    • F28D20/021—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat the latent heat storage material and the heat-exchanging means being enclosed in one container
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Other Air-Conditioning Systems (AREA)

Abstract

本发明公开了一种分形网状相变储能装置，由储能单元体和载冷剂通组成，载冷剂通道位于储能单元体内外体外，储能单元体由壳体、传热肋片及相变材料构成，传热肋片为分形网状结构并配置在壳体内，壳体内非传热肋片区域填充相变材料；传热肋片为分形网状结构，其级数为m级，m≥2且m为整数，每级传热肋片发散系数N＝4，即每个第j级的传热肋片生成4个j+1级传热肋片，第j+1级传热肋片的中心位于第j级传热肋片的四个顶角。该发明利用分形网状结构的特征，增加了储能装置的有效换热面积，减少罐体内的换热死区，同时增大了传热肋片与相变材料之间的有效导热系数，实现热量从点(面)到面(点)的快速传递，进而提高储能装置的效率，减少能量损失。

Description

一种分形网状相变储能装置
技术领域
本发明涉及能源存储领域，具体涉及的是一种为提高换热性能，增强能量存储能力而设计的采用相变材料填充并具有分形网状结构特征的相变储能装置。
背景技术
多数能源应用系统中，都会出现能源的供应和使用在时间上不匹配的问题，能量储存可以缓解这种能源供应与需求之间矛盾。常见的能量储存方式有显热储能、潜热储能、化学储能。其中，潜热储能具有贮能密度大，以及吸、放热过程在等温下进行等优点。因此，相变储能技术常常被用于电力的“移峰填谷”领域，一方面可以减少电力需求的不均匀性，提高社会电力供应的稳定性；另一方面可以利用峰谷电价差，来为业主节约用电成本。
常用的储能装置基本上都是盘管式储能槽，根据盘管结构特征主要有壳管式、U型管式、针翅管式、螺旋管式等，其由沉浸在储能介质中的盘管构成换热表面，载冷剂在盘管内循环，储能时吸收热量，释能时放出热量。这种传统的储能装置由于盘管密度有限，且空间分布上不均匀导致传热的性能不佳，存在部分换热死区，工作的效率较低。目前储能介质虽然有很好的存储能力，但仍存在导热率低，充放热时间长的问题，且换热的单元体过于庞大，以至于工作过程中储能介质内部的温度梯度较大，增加了换热的能量损失。因此为了改善储能装置的导热性能，提高能量利用效率，迫切需要寻找一种新型高效的导热增强型储能装置。
受分形结构理论成功的应用到了高效换热器优化设计的启发，例如电子器件散热中的分形热管散热器以及制冷空调中的分形管壳式换热器等；为实现热量从点(面)到面(点)的高效传递，强化储能和释能的换热效率，减少能量损失，本发明将储能单元体设计成具有分形网状结构特征，增强了装置的导热性能，并采用固液相变材料作为储能介质提高装置存储能力和空间利用率。
发明内容
为解决现有储能装置换热强度较低、存储能力较弱，能量利用率较低的问题，本发明提供了一种具有分形网状结构特征的相变储能装置。由于该装置将热量传递结构的优化设计及相变储能相结合，极大提高了储能装置的换热速率、均温性及存储能力，能最大程度上满足能源供应的稳定性和可靠性要求，更好地达到节能与节电的目的。
为解决上述传统储能装置的技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种分形网状相变储能装置，由储能单元体和载冷剂通组成，所述载冷剂通道位于所述储能单元体内外体外，其特征在于：所述储能单元体由壳体、传热肋片及相变材料构成，所述传热肋片为分形网状结构并配置在所述壳体内，所述壳体内非所述传热肋片区域填充所述相变材料；所述传热肋片为分形网状结构，其级数为m级，m≥2且m为整数，每级传热肋片发散系数N＝4，即每个第j级的传热肋片生成4个j+1级传热肋片，第j+1级传热肋片的中心位于第j级传热肋片的四个顶角，上下级传热肋片的边长比值为RL，第j级传热肋片的边长为式中如表示第1级传热肋片的边长，RL＝exp(-j ln(Lmax/Lmin))，Lmax/Lmin为最大网格与最小网格的边长比；上下级传热肋片的厚度之比为Rt，第j级传热肋片的厚度式中t0表示第1级传热肋片的厚度，Rt＝exp(-jln(tmax/tmin))，tmax/tmin为最大网格与最小网格的厚度比。
所述载冷剂通道位于所述分形网状结构第一级传热肋片的中心。
所述壳体由罐体和置于罐体两侧的盖板组成。
所述相变材料为水、无机水合盐或有机溶剂。
所述相变材料由Na2SO4·10H2O与NH4Cl为共晶盐为主材，添加TiO2纳米颗粒成核剂和硅胶粉增稠剂组成。
所述载冷剂通道内的载冷剂为乙烯乙二醇溶液。
相变材料为水、无机水合盐、有机溶剂等，例如以Na2SO4·10H2O与NH4Cl为共晶盐为主材，添加TiO2纳米颗粒成核剂和硅胶粉增稠剂组成，TiO2纳米颗粒能够有效形成结晶核，降低系统的过冷度，而硅胶粉能有效抑制相态的分离，三者组成的相变材料拥有储能密度大，相变温度可随材料配比变化的特点，提高了储能装置的空间利用率。
载冷剂具有物性稳定、冻结温度较低、热导率较高，价格低廉且易于获得的特性，例如乙烯乙二醇溶液。
装置储能时：内流型储能单元体中载冷剂在主贯穿通道中流动，通过对流与传热肋片进行换热；外流型储能单元体中载冷剂在罐体外流动，通过对流进行换热，罐体一方面与相变材料直接导热，另一方面通过传热肋片将冷量传递到中心传热肋片；冷量在传热肋片间的传递遵循分级扩展的规律，从第1级依次往下传递至m级，每一级都存在多方向传递性，保证了冷量从点(面)到面(点)的快速传递，在此过程中传热肋片同时与液态的相变材料发生热传导，将冷量储存到相变材料中去，当达到相变温度时，液态相变材料首先在TiO2纳米结晶核附近固化，直至相变结束。
装置释能时：内流型储能单元体与外流型储能单元体中载冷剂的流动形式与储能时相同，各换热单元中相变材料储存的冷量通过导热的形式传递给传热肋片，各级传热肋片的冷量不断汇集到载冷剂周围，并通过对流的形式将冷量传递给所述的载冷剂。
整个储能装置由许多储能单元体组成，对于内流型储能单元体可通过输配管道进行堆叠连接，对于外流型储能单元体可采用带有折流板的对流叉排安装方式。由于将储能装置分成了许多小型的储能单元体，间接增加了装置的有效换热面积，从而提高系统整体的储能效率，但储能单元体数量的确定还需根据材料的成本及流体输配阻力增加造成的能耗综合来考虑。
有益效果
本发明涉及一种分形网状相变储能装置，在该分形网状结构中每个子网格能通过两个方向与上一级网格进行热量传递，缩短了热量传递的距离，实现了热量从点(面)到面(点)的高效传递，同时传热肋片均匀的分布到罐体内部，使得在有限空间内极大程度上增加了装置的有效换热面积；由于将相变材料分割成许多相对独立的换热单元，有效的减小了罐体内的换热死区，同时降低了传热肋片与相变材料间的有效导热热阻，使得工作过程中相变材料的温度梯度变小，提高能量利用率；储能罐内填充的共晶盐相变材料具有储能密度大，相变温度可随材料配比变化的特点，提高了装置的空间利用率；整个储能装置由储能单元体组成，而储能载体的单元化一定程度上也提高了系统整体的储能效率。
附图说明
图1内流型储能单元体示意图；
图2内流型储能单元体示意图；
图3分形网状结构；
图4传热肋片结构示意图；
图5内流型储能单元体截面图；
图6外流型储能单元体截面图；
图7内流型储能装置示意图；
图8外流型储能装置示意图；
其中，1.罐体；2.相变材料；3.传热肋片；4.载冷剂；5.端盖。
具体实施方式
下面结合附图进一步的描述：
图1、图2给出了分形网状相变储能装置中储能单元体示意图，一种具有分形网状结构的相变储能单元体，由罐体1、相变材料2、传热肋片3、载冷剂4、端盖5构成。罐体1内分布着传热肋片3，传热肋片3和罐体1之间的空隙填充相变材料2，由罐体1、相变材料2、传热肋片3构成了储能单元体的主体结构。对于内流型储能单元体，储能罐端盖上有相应的连接口与输配管道相连，对于外流型储能单元体，罐体直接由端盖密封。
图3给出了传热肋片3的分级生成规律，其中A为m＝1级时的分形网状结构，B为m＝2级时的分形网状结构，C为m＝3级时的分形网状结构，D为m＝4级时的分形网状结构以此类推，根据装置的实际尺寸并考虑固体金属空间占比选取合适的最大厚度比和最大长度比，从而确定网格的级数。
图4给出了分形网状结构传热肋片的具体示意图，从图中可以直观的看出，方形网格的延展性较好，同时向四个方向扩展，且分级后每个子网格能与上一级网格之间有两个方向进行热扩散，缩短了热量传递的路径。
图5给出了内流型储能单元体的截面图，为减少冷量损失，内流型储能单元体的罐体1采取一定保温措施，载冷剂4由中间的主贯穿通道往上流动，流动过程中通过对流与传热肋片3进行热量传递，传热肋片3与相变材料2之间通过热传导进行热量交换。
图6给出了外流型储能单元体的截面图，外流型储能单元体载冷剂4在整个罐体外流动，通过对流与罐体1进行热量交换，罐体1与相变材料2直接导热的，同时通过传热肋片3将热量传递到罐体内部。分形网状结构特征决定了传热肋片3能够均匀的分布在罐体1内部，且将相变材料2分割成许多相对独立的换热单元，增大了储能装置的有效换热面积，实现了热量从点(面)到面(点)的快速传递，大幅减小了装置工作过程中相变材料2的导热温度梯度，从而减小能量损失。
图7给出了内流型储能装置的整体示意图，采用整体堆叠的形式，各储能单元体之间通过输配管道连接；图8给出了外流型储能装置的整体示意图，各储能单元体之间通过叉排连接的方式，并配有折流板增加流体的扰动来强化换热。通过这种小型化储能单元体的方式，能够提高装置整体的储能速率，但是随着单元体的增多材料的制作成本和运行阻力也会增加，因此要综合各项因素合理的确定储能单元体的数量。

Claims (6)

1.一种分形网状相变储能装置，由储能单元体和载冷剂通道组成，所述载冷剂通道位于所述储能单元体内或体外，其特征在于：所述储能单元体由壳体、传热肋片及相变材料构成，所述传热肋片为分形网状结构并配置在所述壳体内，所述壳体内非所述传热肋片区域填充所述相变材料；所述传热肋片为分形网状结构，其级数为m级，m≥2且m为整数，每级传热肋片发散系数N=4，即每个第j级的传热肋片生成4个j+1级传热肋片，第j+1级传热肋片的中心位于第j级传热肋片的四个顶角，上下级传热肋片的边长比值为R L，第j级传热肋片的边长为L j=L 0 R L j， j=0,1,…,m-1，式中L 0表示第1级传热肋片的边长，R L=exp(-j ln(L max/L min))，L max/L min为最大网格与最小网格的边长比；上下级传热肋片的厚度之比为Rt，第j级传热肋片的厚度t j=t 0 R t j，式中t 0表示第1级传热肋片的厚度， Rt =exp(-jln(t max/t min))，t max/t min为最大网格与最小网格的厚度比。
2.根据权利要求1所述的分形网状相变储能装置，其特征在于：所述载冷剂通道位于所述分形网状结构第一级传热肋片的中心。
3.根据权利要求1所述的分形网状相变储能装置，其特征在于：所述壳体由罐体和置于罐体两侧的盖板组成。
4.根据权利要求1所述的分形网状相变储能装置，其特征在于：所述相变材料为水、无机水合盐或有机溶剂。
5.根据权利要求4所述的分形网状相变储能装置，其特征在于：所述相变材料由Na2SO4·10H2O与NH4Cl为共晶盐为主材，添加TiO2纳米颗粒成核剂和硅胶粉增稠剂组成。
6.根据权利要求1-5任一所述的分形网状相变储能装置，其特征在于：所述载冷剂通道内的载冷剂为乙烯乙二醇溶液。
CN201810115040.9A 2018-02-05 2018-02-05 一种分形网状相变储能装置 Active CN108302969B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810115040.9A CN108302969B (zh) 2018-02-05 2018-02-05 一种分形网状相变储能装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810115040.9A CN108302969B (zh) 2018-02-05 2018-02-05 一种分形网状相变储能装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108302969A CN108302969A (zh) 2018-07-20
CN108302969B true CN108302969B (zh) 2019-07-30

Family

ID=62864603

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810115040.9A Active CN108302969B (zh) 2018-02-05 2018-02-05 一种分形网状相变储能装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108302969B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN209459029U (zh) * 2018-12-27 2019-10-01 深圳市爱能森科技有限公司 一种相变储能装置及供暖系统
CN109974498B (zh) * 2019-03-20 2023-12-01 南京航空航天大学 相变储能装置
CN110218095B (zh) * 2019-04-02 2021-11-16 武汉理工大学 一种基于等级孔陶瓷的高效储热单元的制备方法
CN111121514B (zh) * 2020-01-07 2024-04-30 南京工业大学 一种移动式相变储热储冷装置
CN111397419A (zh) * 2020-03-23 2020-07-10 东南大学 一种多重网格化相变储能装置、泵驱换热系统及换热方法
CN112923765B (zh) * 2021-02-04 2022-05-24 东南大学 一种相变储热装置
CN113218016A (zh) * 2021-04-12 2021-08-06 东南大学 一种空调用相变蓄冷装置
CN113624051A (zh) * 2021-07-30 2021-11-09 江苏启能新能源材料有限公司 一种蜂窝型热池结构

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5000252A (en) * 1990-02-22 1991-03-19 Wright State University Thermal energy storage system
JP2004276113A (ja) * 2003-03-18 2004-10-07 Seita Isshiki 流線形断面の細線を素線とする網及びそれを積層してなる再生熱交換器
CN102034773A (zh) * 2010-11-08 2011-04-27 东南大学 构形树状式热管散热器
CN204594294U (zh) * 2015-03-13 2015-08-26 江应伦 一种金属与固体无机物组成的蓄热装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5000252A (en) * 1990-02-22 1991-03-19 Wright State University Thermal energy storage system
JP2004276113A (ja) * 2003-03-18 2004-10-07 Seita Isshiki 流線形断面の細線を素線とする網及びそれを積層してなる再生熱交換器
CN102034773A (zh) * 2010-11-08 2011-04-27 东南大学 构形树状式热管散热器
CN204594294U (zh) * 2015-03-13 2015-08-26 江应伦 一种金属与固体无机物组成的蓄热装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN108302969A (zh) 2018-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108302969B (zh) 一种分形网状相变储能装置
Abokersh et al. Review of the phase change material (PCM) usage for solar domestic water heating systems (SDWHS)
Nie et al. Review on phase change materials for cold thermal energy storage applications
Lawag et al. Phase change materials for thermal management and energy storage: A review
Al-Abidi et al. Review of thermal energy storage for air conditioning systems
Omara et al. Improving the performance of air conditioning systems by using phase change materials: a review
Yuan et al. Phase change cooling in data centers: A review
Rashidi et al. A review on potentials of coupling PCM storage modules to heat pipes and heat pumps
CN100498132C (zh) 集热蓄能蒸发一体化太阳能热泵系统
Ismail et al. New potential applications of phase change materials: A review
CN103245085B (zh) 一种蓄能型太阳能振荡热管热泵供热系统及其方法
Teamah Comprehensive review of the application of phase change materials in residential heating applications
CN106767082A (zh) 基于脉动热管的可移动式蓄放热装置及其蓄放热方法
CN103148723A (zh) 一种金属网基波纹管式相变蓄热装置
CN103256729A (zh) 大容量组合式太阳能热化学梯级高效储热装置及应用
Dong et al. Review of latent thermal energy storage systems for solar air‐conditioning systems
CN201945225U (zh) 螺旋螺纹弹性管束相变蓄热器
CN108232359A (zh) 基于气液两相散热及热能回收的动力电池系统
Zhong et al. Applications of coupling thermosyphons with phase change materials: a review
Hadiya et al. Thermal energy storage using phase change materials: a way forward
CN106197113A (zh) 潜热存储模块和潜热存储设备
Raut et al. A review on latent heat energy storage for solar thermal water-lithium bromide vapor absorption refrigeration system
CN103512415A (zh) 一种低温相变蓄热器
CN206422184U (zh) 电动汽车
CN204902079U (zh) 基于相变板的毛细管自然对流换热器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant