CN108469195B - 一种管翅式相变储能换热器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种管翅式相变储能换热器，包括：储能箱、相变材料、至少两组热管以及若干片管翅；所述若干片管翅彼此平行地设置在所述储能箱内，将所述储能箱内的空间划分为多个填充区域；每组热管包括相互平行的多根热管横管，并通过设置在所述热管横管端部的热管曲管将该组热管的多根所述热管横管连接成为一根迂回的热管整管；每组热管的热管横管垂直穿过各片管翅，每片管翅与每根热管横管的外壁面交界；在所述填充区域中于所述热管横管和管翅的周部填充有相变材料。本发明解决了现有技术中相变储能装置内部热传导不均匀、储能效率低、相变材料在热管外壁凝结等一系列的技术问题，并且提升换热器的智能化精确控制能力，实现热交换效率的最优化。
Description
技术领域
本申请涉及能源技术领域，尤其涉及一种管翅式相变储能换热器。
背景技术
热电联产系统对外输出供电和热能，可以同时保障城乡用电和用热的需求。但是，由于用热和用电高峰错开，因此当热电联产系统的热量产出大于实时热量需求时，就需要进行储能。
相变储能装置利用相变材料实现热能的储存与释放。相变材料具有如下温度特性：温度升高达到相变温度时，相变材料的物理状态发生变化，而相变材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，这一过程中，大量相变热被吸收或释放出来。从而，在相变阶段，产生了一个比较宽的温度平台，这个平台的出现，使得我们能够获得一个相对稳定的恒温时间。相变储能的储能密度高，而且热量主要分布在相变温度附近，因此实际利用比较容易。
现有的相变储能装置包括一储能箱，储能箱内放置相变材料，并且热管从入口处延伸通入储能箱，并且在储能箱内盘旋布置，再从出口处从储能箱引出。热管内流动导热介质。例如，来自热电联产系统的高温导热介质沿着热管从入口处流入储能箱，与储能箱内的相变材料发生热交换，释放热量，然后从出口处流出。
现有技术中的相变储能装置，由于相变材料本身不易导热，使得内部的相变材料热传导不均匀，储热效率低。特别是，相变材料容易在热管外壁发生板结成块的现象，阻碍热传导，对相变储能装置的寿命也很不利。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提出一种管翅式相变储能换热器，来解决现有技术中相变储能装置内部热传导不均匀、储能效率低、相变材料在热管外壁凝结等一系列的技术问题，并且提升换热器的智能化精确控制能力，实现热交换效率的最优化。
基于上述目的，本申请提出了一种管翅式相变储能换热器，包括：储能箱、相变材料、至少两组热管以及若干片管翅；
所述若干片管翅彼此平行地设置在所述储能箱内，将所述储能箱内的空间划分为多个填充区域；每组热管包括相互平行的多根热管横管，并通过设置在所述热管横管端部的热管曲管将该组热管的多根所述热管横管连接成为一根迂回的热管整管；每组热管的热管横管垂直穿过各片管翅，每片管翅与每根热管横管的外壁面交界；在所述填充区域中于所述热管横管和管翅的周部填充有相变材料；
每组热管用于使热流体通过，相邻的两组热管内热流体的流向相反；所述管翅用于在所述每组热管内的热流体与所述相变材料之间进行热交换；所述相变材料通过热交换发生相变，由相变过程中的吸热或放热实现存储和释放热能。
在一些实施例中，所述储能箱的箱壁内具有真空隔层。
在一些实施例中，所述相变材料为六水合硝酸镁。
在一些实施例中，在各组热管相邻的热管横管和相邻的管翅围成的填充空间内还设置有换热格栅，所述换热格栅设置在所述相变材料内。
在一些实施例中，所述换热格栅的格栅网孔截面为蜂窝状，所述换热格栅的格栅网孔延伸方向与所述管翅垂直。
在一些实施例中，所述换热格栅通过实心金属连接件与所述管翅连接。
在一些实施例中，每片管翅包括至少两个纵向区域，在其中每个纵向区域内该片管翅与属于一组热管的各根热管横管相交界，且在每个纵向区域内该组热管的相邻两根热管横管的纵向间距为L；并且，在每个纵向区域内，管翅与每根热管横管的交界处管翅的厚度最小；随着管翅在所述纵向区域内以与每根热管横管的交界处为中心，向上下两侧分别延伸至的间距L的1/2处，管翅的厚度逐渐增加。
在一些实施例中，每片管翅是一体成型的，并且留有供所述热管穿过的通孔。
在一些实施例中，所述管翅式相变储能换热器还包括流量控制阀，所述流量控制阀用于控制每组所述热管内热流体的流速。
在一些实施例中，所述管翅式相变储能换热器还包括若干个相变监测器，每个所述相变监测器包括相变形态获取装置和相变形态分析装置；所述相变形态获取装置设置在所述填充区域的相变材料内部，用于获取所述相变材料的相变形态；所述相变形态分析装置分别与所述相变形态获取装置和所述流量控制阀连接，所述相变形态分析装置用于对所述相变形态获取装置获取到的所述相变材料的形态进行分析，并根据分析结果控制所述流量控制阀改变所述热管内热流体的流速。
本申请提供一种管翅式相变储能换热器，该换热器通过管翅加大了换热面积，增强了热管内热流体与相变材料之间的热传导，相比现有技术中只采用热管结构，其传热参数是3-11倍；并且，管翅具有良好的热胀冷缩效应，使得已经结晶的相变材料能够自行脱落，避免长时间粘结在热管和翅片表面而影响传热；采用非均匀厚度的管翅翅片，进一步加强了热传导能力，而且有利于相变材料在液相状态的对流，可以更有效清除与防止热管和管翅表面的相变材料凝结；利用六角形换热格栅提高了相变材料填充空间内部的热传导，克服了相变材料本身导热性能不佳的束缚，提高了热交换效率，可以促进不邻接热管和管翅的相变材料的吸热与放热过程；为了加强热交换控制的精确化程度，采用了相变监测与热流体流量控制手段，使得相变储能装置储能效率增高。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本申请实施例一的管翅式相变储能换热器的结构剖面示意图；
图2是本申请实施例一的管翅式相变储能换热器的热管及管翅结构示意图；
图3是本申请实施例二的管翅式相变储能换热器的结构剖面示意图；
图4是本申请实施例二的管翅式相变储能换热器的换热格栅的截面结构示意图；
图5是本申请实施例一、二的管翅式相变储能换热器的管翅截面示意图；
图6是本申请实施例的管翅式相变储能换热器的相变形态获取装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本申请实施例提供一种管翅式相变储能换热器，该储能换热器可以用于热电联产系统等各种实际领域。例如，当热电联产系统的热量产出大于实时热量需求时，该储能换热器用于对多余的热量进行存储，并可以在热电联产系统的热量产出小于实时热量需求时，将存储的热量释放，以满足用热需求。可以用若干个本发明所述的储能换热器组合在一起，每个储能换热器的热管均连接热量输入主管和热量输出主管，从而实现动态储能。
图1是本申请实施例一的管翅式相变储能换热器的结构剖面示意图。从图中可以看出，本实施例中的管翅式相变储能换热器包括：储能箱1、相变材料2、热管3和管翅4。所述箱体1的形状可以为圆柱形或者棱柱形(例如长方体)等各种适当的形状，本发明对此不做限制。所述管翅4有多片，多片所述管翅4平行设置在所述储能箱1内，相邻的所述管翅4之间的距离可以相同，所述管翅4可以通过侧沿与所述储能箱1的内侧壁连接，从而实现对所述管翅4的固定。或者所述管翅4可以悬浮设置而不接触储能箱内侧壁。所述管翅4将所述储能箱1内的空间划分为多个填充区域(如图1中所示的多个沿竖直方向的平行的区域)。
图2是本申请实施例的管翅式相变储能换热器的热管及管翅结构示意图。参见图1与图2，储能箱1内具有两组或两组以上的热管3，为了简明，图2中只示出了3组热管3以及若干片平行管翅4，但本领域技术人员可以理解，可以根据实际需求设置热管的组数和管翅的片数，不受附图数量的限制。每一组所述热管3有多根相互平行的热管横管3A，所述热管横管3A垂直穿过所述管翅4，每片管翅4与每根热管横管3A的外壁面交界。并且相邻的两组热管3之间可以相互平行，每组热管3各自分布排列于一个竖直平面内，即一组热管3分布于同一竖直平面，另一组热管3分布于另一个竖直平面内。所述热管3的多根热管横管3A之间通过设置在端部的热管曲管3B连接成为一根迂回的热管整管。在平行的管翅4所划分各个填充区域中，于所述热管横管3A和管翅4的周部，填充有相变材料2。
每组热管3用于使热流体(例如热水、热气等)通过；所述管翅4用于在所述每组热管3内的热流体与所述相变材料2之间进行热交换；所述相变材料2在受热时熔化吸热，在熔化过程中，所述相变材料2的温度不发生改变，通过由固态变为液态可以存储热能；反之，在放热阶段，相变材料2发生液相到固相的转化，期间释放热量。本实施例中的管翅式相变储能换热器在实际应用过程中，可以向每一组所述热管3连接成的整管的一端通入热流体(例如热水或者热气体)，所述热流体通过与所述热管3周围和所述管翅4周围的相变材料2进行热交换，将所述热流体携带的热能传输给所述相变材料2，使所述相变材料2发生相变(由固态变为液态)，由于所述相变材料2在相变过程中(由固态变为液态)，逐渐吸热，而所述相变材料2的温度保持不变，且在相变过程中可以吸收大量的热能，从而实现了热能的存储。当需要释放热能时，从每组所述热管3连接成的整管的一端通入冷流体，与所述相变材料2进行热交换，对所述冷流体进行加热，从而释放所述相变材料2存储的热能，在释放热能后，所述相变材料2由液态变为固态。相邻的两组热管3内热流体的流向相反，如图2的箭头所示，这样有利于热量在储能箱1内整体分布均匀。
本实施例的管翅式相变储能换热器，通过管翅将所述热管内热流体携带的热能传导至远离所述热管处的相变材料，增大了热交换面积，提高了热交换效率，进而使得相变储能装置储能效率增高。作为参数优化设计，热管3采用软钛不锈钢管，管壁厚度0.5-0.7mm，优选0.6mm，管内径12-16.5mm，优选14.8mm。每片管翅4是一体成型的，延伸范围分布在整个储能箱1的内部空间；管翅4的厚度为0.1-0.3mm，优选为0.2mm，且相邻两片管翅4的间距为2-6mm，优选为5mm。管翅4采用不锈钢翅片；其传热参数相比现有技术中只采用热管结构是3-11倍。
作为本申请的一个可选实施例，在所述储能箱的箱壁内具有真空隔层，通过所述真空隔层，可以阻隔所述储能箱内的相变材料与周围环境进行热交换，进而可以是所述相变材料保持一定的温度，使所述相变材料存储的热能得以保存。
作为本申请的一个可选实施例，上述实施例中的相变材料为六水合硝酸镁。
如图3所示，是本申请实施例二的管翅式相变储能换热器的换热格栅的设置结构示意图。作为本申请的一个可选实施例，上述实施例中，各组热管3相邻的热管横管和相邻的管翅4围成的填充空间内，还设置有换热格栅5，所述换热格栅5埋设在所述相变材料内。所述换热格栅5可以与所述管翅4平行设置，或者，所述换热格栅5也可以与所述管翅4呈第一角度设置。所述换热格栅5用于在所述相变材料内部传导热能，所述由于相变材料本身导热性能较差，当靠近所述热管3和所述管翅4位置处的相变材料吸热熔化时，填充空间内部相变材料(即相对远离所述热管3和所述管翅4的位置处)的相变材料还处于固态结构，即吸收的热能较少或者没有吸收热能，使得管翅式相变储能换热器整体的储能效率较低。通过在所述相变材料内设置所述换热格栅5，可以使所述相变材料内的温度均衡，从而提高所述相变材料的存储热能的能力。作为本实施例的一个可选实施方式，所述换热格栅的网孔截面为蜂窝状，当所述换热格栅的布置方向与所述管翅平行时，所述换热格栅的格栅网孔延伸方向与所述管翅垂直。如图4所示的本申请实施例的管翅式相变储能换热器的换热格栅的结构示意图。本实施中的换热格栅的网孔为正六边形，使得所述相变材料可以均匀的分布在所述换热格栅的周围，以便于更好的进行所述相变材料内部的热均衡，从而提高所述管翅式相变储能换热器的储能能力。所述换热格栅通过实心金属连接件与所述管翅连接，使得所述换热格栅对所述相变材料的热传导的效率更高，从而提高所述管翅式相变储能换热器储能效率。
如图2所示，每片管翅4可以包括若干个纵向区域，由于每组热管3各自的热管横管3A分布排列于一个竖直平面内，因此在管翅4的每个纵向区域内，该片管翅4与属于一组热管的各根热管横管3A相交界，且在每个纵向区域内该组热管3的相邻两根热管横管3A的纵向间距为L；并且在每个纵向区域内，管翅4与每根热管横管3A的交界处管翅的厚度最小；随着管翅4在所述纵向区域内以与每根热管横管的交界处为中心，向上下两侧分别延伸至的间距L的1/2处，管翅的厚度逐渐增加。每片管翅4是一体成型的，并且在所述交界处留有供所述热管横管3A穿过的通孔。如图5所示的管翅截面示意图，管翅4与热管横管3A交界处的通孔为H，以H为中心，随着管翅4向上下两侧分别延伸至的间距L的1/2处，管翅的厚度逐渐增加，例如，交界处管翅厚度为0.1mm，而在1/2间距L处管翅的厚度为0.3mm，且随着截面厚度增加，管翅外壁面呈图5所示的弧面。由于管翅本身的导热性能要高于所述相变材料，因此，在远离所述热管位置对的管翅的厚度可以适当增厚，从而为远离所述热管处的相变材料传导更多的热量。另外，相变材料在热管外壁凝结成垢现象是影响换热效率的一大因素；通过上述渐变厚度的非均匀弧面管翅，可以实现非均匀热胀冷缩，越接近热管管翅的热胀冷缩效应越明显，可以对凝结相变材料起到搅拌脱离的作用；在液相状态下，相变材料在热管和管翅之间进行对流，管壁的非均匀形状有利于在交界处的对流，使得已经结晶的相变材料能够被对流清除，避免长时间粘结在热管和翅片表面而影响传热。
在相变材料的整个相变过程中，前期随着相变材料的逐步融化，加大了对流的导热作用，因此蓄热增量比较大；后期随着温差的下降，蓄热速度会逐步降低。为了提升换热器的智能化精确控制能力，可以基于监测相变状态，调节热管内热流体的流量状态，从而使热量输入与相变材料的蓄热能力相匹配。为此，在一些实施例中，本发明还包括流量控制阀，所述流量控制阀用于控制所述热管内热流体的流速。所述流量控制阀可以设置在所述热管的一端。在开始对所述管翅式相变储能换热器进行储能时，可以通过调大所述流量控制阀，使所述热管内的热流体的流速较快，此时，所述管翅式相变储能换热器内的相变材料的吸热速度较快，随着所述相变材料的逐渐吸热，可以通过调小所述流量控制阀，使所述热管内热流体的流速下降，进而与所述相变材料进行充分的热交换，使得所述管翅式相变储能换热器的储能更加充分。
由于所述相变材料在熔化过程中，随着储能的增加，温度保持不变，因此不能确定在如何控制所述流量控制阀，为此，作为本申请的一个可选实施例，还可以包括若干个相变监测器，每个所述相变监测器包括相变形态获取装置和相变形态分析装置，所述相变形态获取装置设置在所述填充区域的相变材料内部，用于获取所述相变材料的相变形态；所述相变形态分析装置分别与所述相变形态获取装置和所述流量控制阀连接，所述相变形态分析装置用于对所述相变形态获取装置获取到的所述相变材料的形态进行分析，并根据分析结果控制所述流量控制阀改变所述热管内热流体的流速。如图6所示，是本申请实施例的管翅式相变储能换热器的相变形态获取装置的结构示意图。本实施例中的相变形态获取装置6可以包括耐高温隔热透明管，以及设置在所述耐高温透明管内的微型摄像头，所述耐高温隔热透明管设置在所述相变材料内部，用于获取所述相变材料内部的相变形态的图像，所述相变形态获取装置6与所述相变形态分析装置7连接，所述相变形态分析装置7可以利用图像处理技术根据所述相变形态获取装置6获取的所述相变材料内部的相变形态的图像，确定所述相变材料内部的吸热状态，并通过电信号，控制所述流量控制阀8改变所述热管内热流体的流速，从而提高所述管翅式相变储能换热器的储能效率。
总之，本申请提供一种管翅式相变储能换热器，该换热器通过管翅加大了换热面积，增强了热管内热流体与相变材料之间的热传导，相比现有技术中只采用热管结构，其传热参数是3-11倍；并且，管翅具有良好的热胀冷缩效应，使得已经结晶的相变材料能够自行脱落，避免长时间粘结在热管和翅片表面而影响传热；采用非均匀厚度的管翅翅片，进一步加强了热传导能力，而且有利于相变材料在液相状态的对流，可以更有效清除与防止热管和管翅表面的相变材料凝结；利用六角形换热格栅提高了相变材料填充空间内部的热传导，克服了相变材料本身导热性能不佳的束缚，提高了热交换效率，可以促进不邻接热管和管翅的相变材料的吸热与放热过程；为了加强热交换控制的精确化程度，采用了相变监测与热流体流量控制手段，使得相变储能装置储能效率增高。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (9)
1.一种管翅式相变储能换热器，其特征在于，包括：储能箱、相变材料、至少两组热管以及若干片管翅；
所述若干片管翅彼此平行地设置在所述储能箱内，将所述储能箱内的空间划分为多个填充区域；每片管翅包括至少两个纵向区域，在其中每个纵向区域内该片管翅与属于一组热管的各根热管横管相交界，且在每个纵向区域内该组热管的相邻两根热管横管的纵向间距为L；并且，在每个纵向区域内，管翅与每根热管横管的交界处管翅的厚度最小；随着管翅在所述纵向区域内以与每根热管横管的交界处为中心，向上下两侧分别延伸至的间距L的1/2处，管翅的厚度逐渐增加；每组热管包括相互平行的多根热管横管，并通过设置在所述热管横管端部的热管曲管将该组热管的多根所述热管横管连接成为一根迂回的热管整管；每组热管的热管横管垂直穿过各片管翅，每片管翅与每根热管横管的外壁面交界；在所述填充区域中于所述热管横管和管翅的周部填充有相变材料；
每组热管用于使热流体通过，相邻的两组热管内热流体的流向相反；所述管翅用于在所述每组热管内的热流体与所述相变材料之间进行热交换；所述相变材料通过热交换发生相变，由相变过程中的吸热或放热实现存储和释放热能。
2.根据权利要求1所述的管翅式相变储能换热器，其特征在于，所述储能箱的箱壁内具有真空隔层。
3.根据权利要求1所述的管翅式相变储能换热器，其特征在于，所述相变材料为六水合硝酸镁。
4.根据权利要求1所述的管翅式相变储能换热器，其特征在于，在各组热管相邻的热管横管和相邻的管翅围成的填充空间内还设置有换热格栅，所述换热格栅设置在所述相变材料内。
5.根据权利要求4所述的管翅式相变储能换热器，其特征在于，所述换热格栅的格栅网孔截面为蜂窝状，所述换热格栅的格栅网孔延伸方向与所述管翅垂直。
6.根据权利要求5所述的管翅式相变储能换热器，其特征在于，所述换热格栅通过实心金属连接件与所述管翅连接。
7.根据权利要求1所述的管翅式相变储能换热器，其特征在于，还包括流量控制阀，所述流量控制阀用于控制所述热管内热流体的流速。
8.根据权利要求7所述的管翅式相变储能换热器，其特征在于，所述管翅式相变储能换热器还包括若干个相变监测器，每个所述相变监测器包括相变形态获取装置和相变形态分析装置；所述相变形态获取装置设置在所述填充区域的相变材料内部，用于获取所述相变材料的相变形态；所述相变形态分析装置分别与所述相变形态获取装置和所述流量控制阀连接，所述相变形态分析装置用于对所述相变形态获取装置获取到的所述相变材料的形态进行分析，并根据分析结果控制所述流量控制阀改变所述热管内热流体的流速。
9.根据权利要求1所述的管翅式相变储能换热器，其特征在于，每片管翅是一体成型的，并且留有供所述热管穿过的通孔。
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