CN108362153B - 一种带内肋片的高效相变储能封装球 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带内肋片的高效相变储能封装球，包括封装球壳、肋片组件和相变储能材料；其中，所述封装球壳外观呈球形，所述肋片组件加装在所述封装球壳内部；优选地，所述肋片组件由中空管状的圆柱形针肋构成，所述针肋在所述封装球壳内部呈空间三维几何对称分布设置，所述针肋在三个方向上相互垂直并内部贯穿，在所述封装球壳和所述针肋之间填充固液相变储能材料。本发明能够在保证相变材料填充率的同时，降低封装球内壁侧热阻，增大整体的换热面积，使得封装球相比于普通球形封装体的传热性能大幅提升，且相变传热过程更加均匀，大幅提高相变材料的利用率和封装球的换热效率。

Description

一种带内肋片的高效相变储能封装球

技术领域

本发明涉及相变储能封装领域，尤其涉及一种带内肋片的高效相变储能封装球。

背景技术

当今清洁能源的开发与利用已成为全球关注的重点。然而，可再生能源，如风能、太阳能、潮汐能等新能源往往存在着间歇性与周期性的问题，这使得能源的需求与供应不能适时的匹配。储能系统能够在能量供应充足的情况下储存多余的能量，然后在能量供应不足的情况下释放出来加以应用，是一种有效解决上述能量供需不匹配问题的技术方案。目前常见的储能系统包括显热储能系统及潜热储能系统。其中，潜热储能系统主要利用相变材料的相变潜热进行能量存储，相比于显热蓄能系统，潜热(相变)储能系统具有蓄能密度高、蓄能与释能过程近似等温的优点。因而，潜热(相变)储能系统技术在太阳能热利用、工业余热回收、采暖及空调等节能领域中有着广泛的应用前景。

根据相变形式的不同，相变材料可分为固-固相变、固-液相变、固-气相变和液-气相变共四类。其中，固液相变材料由于自身具有相变潜热较大、相变体积变化较小等优势，是目前研究和应用于相变储能系统的主要选择。固-液相变储能材料在融化过程呈现为液态，需要对其进行密封处理。适当的封装方法可以提高相变储能材料的使用性能，因而受到国内外相关领域专业人员的广泛关注。一种较为直接的办法是将相变材料直接整体灌装在换热器内并且进行密封处理，一些平板热管式和翅片管式相变储能换热器就是采用这种形式。但是这种方法大都只适用于灌装一些对金属无腐蚀作用的有机类相变材料，一旦内部发生泄漏则很难对其进行修补；同时，相变材料整体灌装式换热器的单位体积比表面积相对较小，换热效率较低，无法满足储能过程的实际应用需求。还有一种方法就是对相变材料进行分散封装。封装是指利用一些与相变材料具有相容性的壳体将相变材料密封于其内，从而将其与外界进行隔绝。因此，封装除了能够起到防止材料泄露的作用外，还能将相变材料与外界环境进行化学隔离，从而提高材料的稳定性，且可以有效解决无机相变材料对金属的腐蚀性问题。此外，封装还能够有效提高单位体积相变材料的换热面积，从而提高材料的相变速率，国外研究机构已经先后开发了很多精巧的封装结构。

在相变储能系统中，堆积床式相变储能换热器是一种最为常见的储能装置。相变储能封装体是该装置的基本储能单元，传统的相变储能封装体主要由外部的包覆壳体及填充于内部的相变材料组成。其中壳体主要起到传热及对相变材料进行隔绝的作用，而相变材料主要起到储能的作用。实际应用中，大量相变储能封装体单元堆积在保温性能良好的床体中便组成了一个堆积床式相变储能系统。在该系统中，传热流体流经各个单元及床体组成的孔隙中，并与封装体内部的相变材料进行换热。堆积床式相变储能换热器的主要优点在于结构简单、储能密度高、经济性好。其中，相变储能封装球是最为常见的封装形式。相比于其他几何结构，储能球体的单位体积比表面积较小，不利于相变材料的换热。此外，相变材料的低导热性进一步地制约了储能球内侧的换热效率，使得球形封装体几何结构的优越性无法得到充分的体现，甚至球心处存在少量相变材料无法完成相变过程的问题，造成储能材料的损失和浪费。

由于相变储能球的传热阻力主要分布在球体的内侧，因此常见的解决方法是减小封装体的等效直径，从而使换热加强，但相应地，会造成载冷(或热)剂流动阻力的增加和相变储能密度体的下降。部分学者发现直径100mm的封装球完全相变所需时间为50mm封装球的2.4倍，但承装质量是50mm封装球的8倍，故若时间允许，采用较大直径的封装球更为合理。另一方面，也有一些学者提出通过在相变材料中添加高导热率的材料(如金属粉末、膨胀石墨及泡沫金属等)的方法来提高相变材料的导热率，虽然均匀混合的相变材料、碳纤维混合物可以大大改善相变换热器的传热特性，但是这类方法也会存在诸如储能密度降低、相变温度漂移以及多次循环后添加材料沉淀分离等问题，影响了进一步的推广和使用。当然，技术领域内的一些研究人员也曾考虑在相变换热器中添加肋片以强化换热性能，通过改变环肋的几何参数，得出在以石蜡为相变材料的情况下，不同的环肋配制情况，对相变换热器性能的改变情况。通过研究分析可知，在相变材料侧添加肋片可明显提高换热器的换热速率和储能密度。但目前该研究领域主要侧重于管式换热器，对封装球中添加肋片的强化传热性能研究仍较为缺乏。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种带内肋片的高效相变储能封装球，能够在保证相变材料填充率的同时，提高相变材料的利用率，降低封装球内壁侧热阻，增大整体的换热面积，使封装球相比于普通球形封装体的传热性能大幅提升，且相变传热过程更加均匀，提高相变材料的利用率。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题包括：(1)现有技术在换热器内直接灌装相变材料，易泄露且不易修补，且换热面积相对较小，换热效率较低；(2)在相变材料中添加高导热率的材料存在诸如储能密度降低、相变温度漂移以及多次循环后添加材料沉淀分离等问题；(3)传统的无内肋片的相变储能封装球的换热系数小、换热效率低，且相变材料的相变过程不完全，相变材料的利用率低。

为实现上述目的，本发明提供了一种带内肋片的高效相变储能封装球，包括封装球壳、肋片组件和相变储能材料；

其中，所述封装球壳外观呈球形，所述肋片组件加装在所述封装球壳内部，在所述封装球壳和所述肋片组件之间填充有所述相变储能材料；

所述肋片组件由多个针肋构成；

所述针肋在所述封装球壳内部呈空间三维几何对称分布设置，所述针肋在三个方向上相互垂直并内部贯穿；

所述针肋内部为两端开放的中空管状结构，所述中空管状结构构成所述针肋内部的针肋管道，所述针肋管道构成所述肋片组件内部的贯穿结构，所述贯穿结构能允许流体通过。

进一步地，所述封装球壳的厚度不超过所述封装球壳内直径的1/10。

进一步地，所述针肋的外壁直径不超过所述封装球壳内直径的1/10。

进一步地，所述针肋的管壁厚度不超过所述针肋的外壁直径的1/2。

进一步地，所述相变储能材料为固液相变材料。

进一步地，所述封装球壳和所述肋片组件的材料为铝金属。

本发明能够在保证相变材料填充率的同时，降低封装球内壁侧热阻，增大整体的换热面积，使得封装球相比于普通球形封装体的传热性能大幅提升，且相变传热过程更加均匀，大幅提高相变材料的利用率和封装球的换热效率。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的针肋设置示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的封装球外观示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

虽然肋片几何形状千变万化，但典型的肋片结构可分为直肋、环肋、针肋和大套片等四大类。其中，针肋结构在几何结构上不连续，而是由尺寸和形状相同的针肋阵列组成。在传热性能方面，当处于相同的肋片体积的条件时，针肋结构具有更大的有效换热面积，因此与其他肋片结构相比，针肋的换热效率更高，在相同的换热量下，可以有效减小换热器的体积，使其更加适应实际应用需求。同时，针肋特殊的结构特点，在提高换热器换热性能的基础上也保证了相变材料的填充率，有利于提高换热器的整体储能密度。如图1所示为本发明的一个较佳实施例的针肋设置示意图，肋片组件由在三个方向上相互垂直的针肋4构成，针肋4成空间三维几何对称分布，利用肋片在三维空间的对称排布来提高内部相变材料的传热性能及换热的均匀性。

针肋4为中空管状的细圆柱形结构，特殊的细圆柱形针肋布置，在提高换热性能的同时也保证了相变材料的填充率。此外针肋4的内部有针肋管道1，因此肋片组件内部形成由针肋管道1形成贯穿结构，使得流体能够从肋片组件的内部通道中流动，从而使得球体内部能够直接与流体进行换热，并且进一步增大了储能封装球的换热面积和换热效率。

如图2是本发明的一个较佳实施例的封装球外观示意图，封装球壳3的外观呈标准的球形，内壁在空间对称的六个节点处连接针肋4。

图3是本发明的一个较佳实施例的结构示意图，封装球结构由外部球形封装球壳3、内接的三维空间对称的中空贯通圆柱形细针肋4及填充于封装球壳3与肋片组件之间的相变储能材料2组成的。

在本具体较佳实施例中，封装球壳3的厚度为2mm，封装球壳3的内直径为40mm，针肋4的外壁直径d为2mm，针肋4的管壁厚度e为0.5mm。在本发明的其他较佳具体实施例中，也可以将封装球壳3和针肋4的厚度及直径设置为其他参数，但为了保证传热效率及相变材料的填充率，封装球壳3的厚度及针肋4的外壁直径d均不超过封装球壳3的内直径的1/10，针肋4的管壁厚度e不超过针肋4的外壁直径d的1/2。

在封装体和针肋之间填充相变储能材料2，通过球壳外表面和针肋管道内表面与载冷(或载热)流体换热。在本具体较佳实施例中，相变储能材料2采用了癸酸-月桂酸-棕榈酸共融相变蓄冷材料，相变材料占整个封装体的90％的体积。在本发明的其他较佳具体实施例中，相变储能材料2可以根据实际热源的温度进行选择与填充，其种类选取的原则为相变温度与热源温度接近；其填充量可根据固液相变的体积变化来适量填充，以防固液相变过程中的体积膨胀。

相比于普通的无内肋片的储能封装球，本发明的封装球极大地提高了内部相变材料侧的换热面积和换热效率，解决了低导热率相变材料内部传热性能差的问题。同时，针肋特殊的空间三维对称形状设计也使得本发明的封装球能够最大限度地增强内部相变材料换热的均匀性，提高相变材料的利用效率。此外，针肋的结构形式也在保证封装体换热性能的基础上提高了相变材料的填充率。

在本发明的其他较佳具体实施例中，肋片组件除了采用针肋外，还可选择环肋、圆肋、波纹肋片等各种形状类别的肋片；针肋的形状除圆柱形外，还可以选择长方体、三棱锥等各种不同的几何形状；针肋的空间排布除了选择在三个方向上相互垂直的贯穿的三维空间对称的排布方式外，还可以考虑根据实际需求修改针肋的长度、直径、数量、空间排布方式等，或考虑空间非对称的几何结构，例如选择长度为球径一半的非连通的若干空间任意分布的针肋组件；针肋除了选择中空的管状结构设计，还可以考虑连接的实心针肋，这样可以减小外部流动阻力。此外，管状针肋除了选择贯穿结构设计，还可以考虑连接非连通的管状针肋。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种带内肋片的高效相变储能封装球，其特征在于，包括封装球壳、肋片组件和相变储能材料；

其中，所述封装球壳外观呈球形，所述肋片组件加装在所述封装球壳内部，在所述封装球壳和所述肋片组件之间填充有所述相变储能材料；

所述肋片组件由多个针肋构成；

所述针肋在所述封装球壳内部呈空间三维几何对称分布设置，所述针肋在三个方向上相互垂直并内部贯穿；

所述针肋内部为两端开放的中空管状结构，所述中空管状结构构成所述针肋内部的针肋管道，所述针肋管道构成所述肋片组件内部的贯穿结构，所述贯穿结构能允许流体通过。

2.如权利要求1所述的一种带内肋片的高效相变储能封装球，其特征在于，所述针肋为圆柱形。

3.如权利要求1所述的一种带内肋片的高效相变储能封装球，其特征在于，所述封装球壳的厚度不超过所述封装球壳内直径的1/10。

4.如权利要求1所述的一种带内肋片的高效相变储能封装球，其特征在于，所述针肋的外壁直径不超过所述封装球壳内直径的1/10。

5.如权利要求4所述的一种带内肋片的高效相变储能封装球，其特征在于，所述针肋的管壁厚度不超过所述针肋的外壁直径的1/2。

6.如权利要求1所述的一种带内肋片的高效相变储能封装球，其特征在于，所述相变储能材料为固液相变材料。

7.如权利要求1所述的一种带内肋片的高效相变储能封装球，其特征在于，所述封装球壳和所述肋片组件的材料为铝金属。

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