CN108507393B - 三维肋片结构的固液相变储热取热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维肋片结构的固液相变储热取热装置，包括：基管呈管状结构，用于作为载热流体的流通管道；三维肋片机构设置在基管外围，用于在基管内部的载热流体与基管外部的储热介质之间进行等效导热，三维肋片机构包括肋基、纵向肋和环向肋；固定件用于将三维肋片机构可拆卸连接在基管管壁外围。本发明在三维空间方向上合理布置肋片，肋片材料采用高导热系数材料，以保证在储取热过程中，不同位置相变介质的温度变化速率能够接近一致，同时提高相变介质的等效导热系数，提高储取热过程的响应速率，为储取热系统稳定运行提供了保证。

Description

三维肋片结构的固液相变储热取热装置

技术领域

本发明涉及储热技术领域，具体涉及一种三维肋片结构的固液相变储热取热装置。

背景技术

在储热技术领域，由于固-液相变储热技术利用了储热材料在固-液互换时的潜热，相比显热储热，相同储热材料、相同质量、相同温升下，可以存储更多的热量，并且对于热源为发生相变的载热流体时，高温载热流体冷凝时释放的潜热应储存在对应储热介质的相变潜热中。同理，对于冷源为发生相变的载热流体时，低温载热流体蒸发过程时吸收的潜热应来自于储热介质的相变潜热。

然而，通常所用相变储热材料导热系数均较低，这样会导致储热过程中靠近热源的相变介质已经被加热至远高于熔点温度，而远离热源的相变介质却任处于凝固状态，并且在固液相界处会出现较大的导热热阻，取热过程反之。

常用的强化传热的肋片型式有：直肋、针肋、环肋以及在此三种肋片基础上改进的肋片，如变截面直肋、变截面针肋、H型环肋、螺旋环肋等。常见的用于传热强化的肋片多用于对流场合，一方面肋片起到扩展对流换热面积的作用；另一方面当流体流过基管时，肋片可破坏粘性底层、增强湍流，进而提高对流换热系数。

常见肋片也可用于显热储热技术中，即储热介质在储取热过程中不发生相变。但常见肋片并不适合用于相变介质储热技术，因为对于针肋和直肋而言，其放射性的布置方式使得随着径向上半径的增加，相变介质质量也随之增加，而这两种肋并没有相应的增加传热面积，也就无法保证对相变介质各区域均匀加热；对于螺旋环肋和H型环肋而言，这两种肋虽然实现了随着径向上半径的增加，相应的增加了传热面积，但是单一维度上对传热面积的增加仍不能实现对相变介质各区域均匀加热。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维肋片结构的固液相变储热取热装置，在三维空间方向上合理布置肋片，肋片材料采用高导热系数材料，以保证在储取热过程中，不同位置相变介质的温度变化速率能够接近一致，同时提高相变介质的等效导热系数，提高储取热过程的热响应速率，为储取热系统稳定运行提供了保证。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种三维肋片结构的固液相变储热取热装置，所述储热取热装置包括：

基管，所述基管呈管状结构，用于作为载热流体的流通管道；

三维肋片机构，所述三维肋片机构设置在所述基管外围，用于在所述基管内部的载热流体与所述基管外部的储热介质之间进行等效导热；

固定件，所述固定件可拆卸地将所述三维肋片机构固定在所述基管的管壁外围。

在如上所述的三维肋片结构的固液相变储热取热装置，优选，三维肋片机构包括：

肋基，所述肋基用于所述基管与所述三维肋片机构之间的热量传导；所述肋基内表面与所述基管外表面接触连接，所述肋基外表面固定连接有纵向肋；

纵向肋，所述纵向肋设置在所述肋基外表面并沿所述基管径向方向向外延伸；

环向肋，所述环向肋设置在所述纵向肋末端区域，用于增加所述三维肋片机构与所述储热介质之间的传热面积。

在如上所述的三维肋片结构的固液相变储热取热装置，优选，纵向肋有多个，多个所述纵向肋在所述肋基外表面上均匀分布。

在如上所述的三维肋片结构的固液相变储热取热装置，优选，纵向肋随着所述基管径向方向向外延伸时，宽度递增。

在如上所述的三维肋片结构的固液相变储热取热装置，优选，纵向肋的宽度呈阶梯状递增。

在如上所述的三维肋片结构的固液相变储热取热装置，优选，沿着所述纵向肋的长度方向设置多层所述环向肋。

在如上所述的三维肋片结构的固液相变储热取热装置，优选，环向肋的截面形状呈圆弧状。

在如上所述的三维肋片结构的固液相变储热取热装置，优选，自内向外，各层所述环向肋的长度递增。

在如上所述的三维肋片结构的固液相变储热取热装置，优选，三维肋片机构的数量为多个，多个三维肋片机构在基管外围圆周分布。

在如上所述的三维肋片结构的固液相变储热取热装置，优选，固定件为弹簧卡。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

本发明提供一种三维肋片结构的固液相变储热取热装置，通过在三维空间上合理布置高导热系数的肋片，在相变储热技术中，实现热流量在相变介质整个区域内均匀的分布，即实现在加热熔化或者冷却凝固过程中相变介质整个区域内液相比例的变化一致，进而实现相变过程发生的程度在整个区域内均匀进行，避免了由于热流不均匀而出现大范围的相界出现，增加导热热阻的问题；避免了储取热过程时间响应慢，进而影响稳定运行的问题；避免了由于取热不完全储热介质中热量积蓄的问题；避免了由于热量积蓄，储热无法进行的问题等一系列问题；另外，在显热储热技术中，本发明的三维肋片结构的固液相变储热取热装置也能很好的起到提高储热介质等效导热系数的作用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例的三维肋片结构的固液相变储热取热装置总体结构示意图；

图2为本发明实施例的三维肋片结构的固液相变储热取热装置主视结构示意图；

图3为本发明实施例的三维肋片结构的固液相变储热取热装置剖面结构示意图；

图4为图3中A-A剖面结构示意图；

图5为在A-A剖面示图中纵向肋的另一种实施方式；

图6为本发明实施例的三维肋片机构主视结构示意图。

附图标记说明：1-基管；2-三维肋片机构；3-弹簧卡；201-肋基；202-阶梯递增纵向肋；203-环向肋；204-连续递增纵向肋。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。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。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在本发明中，沿基管1的径向(即沿三维肋片机构2的高度或长度方向)靠近基管1的一侧为内侧，远离基管1的那侧为外侧，其限定仅用于方便描述，并不对本发明构成限制。

对文中出现的相关专业术语做如下解释，以便更好地理解本发明：

相变介质：利用某种物质或某种混合物，在某温度点或某较小的温度范围内，进行固-液相相互转变，吸收或释放潜热的特性，进行储取热的物质。

高温载热流体：向相变介质释放热量的流体。

低温载热流体：从相变介质吸收热量的流体。

相变储热：高温载热流体在冷凝过程中，将热量储存到相变介质中，使相变介质熔化的过程。

相变取热：低温载热流体在蒸发过程中，从相变介质中吸收热量，使相变介质凝固的过程。

如图1和图2所示，根据本发明的实施例，提供了一种三维肋片结构的固液相变储热取热装置，储热取热装置包括基管1、三维肋片机构2和固定件，其中：基管1呈管状结构，用于作为载热流体的流通管道；三维肋片机构2设置在基管1外围，用于在基管1内部的载热流体与基管1外部的储热介质(即相变介质)之间进行等效导热；固定件用于将三维肋片机构2可拆卸连接在基管1管壁外围。

在本发明的具体实施例中，三维肋片机构2包括肋基201、纵向肋和环向肋203，其中：肋基201用于基管1与三维肋片机构2之间的热量传导，肋基201内表面与基管1外表面接触连接，肋基201通过固定件固定于基管1外表面，肋基201外表面固定连接有纵向肋，另外，肋基201还可以将基管1内载热流体的热量直接传导给与肋基201外表面接触的相变介质，或者将与肋基201外表面接触的相变介质的热量直接传导给基管1内的载热流体；纵向肋设置在肋基201外表面并沿基管1径向方向向外延伸；环向肋203设置在纵向肋末端区域，用于增加三维肋片机构2与储热介质之间的传热面积。为了方便安装和拆卸，肋基201优选为多片圆弧板，该圆弧板的半径略大于基管1的半径，其正好可以卡在基管1的外部。更优选地，肋基201为两片半圆柱体，半圆柱体的半径略大于基管1的半径，其正好可以卡在基管1的外部。

如图4所示，纵向肋随着基管1径向方向向外延伸时，宽度递增，即随着纵向肋的高度增加，纵向肋在图4所示出的截面上的宽度呈递增状态，在本具体实施例中，纵向肋宽度呈阶梯状递增，以下称为阶梯递增纵向肋202。

在本发明的具体实施例中，三维肋片机构2的数量为多个，多个三维肋片机构2在基管1外围圆周分布，即多个三维肋片机构2的肋基201分别与基管1外壁接触连接或者卡接或者贴合，并通过固定件可拆卸连接或者固定连接在基管1上；阶梯递增纵向肋202有多个，在每个肋基201外表面的弧面上都均匀分布有多个阶梯递增纵向肋202；在阶梯递增纵向肋202的最外纵向肋段(即离基管中心最远的纵向肋段)上沿基管1的径向(即沿三维肋片机构2的高度或长度方向)分布有多层环向肋203，环向肋203的截面形状呈圆弧状，圆弧中心均为基管1轴心，随着基管1径向方向(即自内侧向外侧)，多层环向肋203的弧形板长度递增。在本实施例中，三维肋片机构2的阶梯递增纵向肋202采用径向上随着半径的增加增大肋宽的方式是为了均匀的分配由基管1传递过来的热流量，实现纵向和径向上不同区域相变介质的均匀加热；环向肋203的设置是由于远离基管1的区域相变介质质量较大，单纯依靠阶梯递增纵向肋202不能达到均匀分配热流量的目的，所以在这些区域设置环向肋203。

作为一种可行实施方式，如图5所示，纵向肋宽度递增的方式可以采用连续递增方式，此种递增方式的纵向肋为连续递增纵向肋204，连续递增的方式可以根据空间结构或者加工方式选取不同的曲线形式，比如直线、折线、圆弧或者其他形式的平滑曲线。

在本实施例中，作为优选方案，三维肋片机构2的数量为两个，即储热取热装置的肋片部分分为上下两个三维肋片机构2，每个三维肋片机构2上均包括有肋基201、阶梯递增纵向肋202和环向肋203，两个三维肋片机构2的肋基201均为半圆管状，均贴合在基管1外圆面。

在本实施例中，作为优选方案，如图6所示，在一个三维肋片机构2上设置着四个阶梯递增纵向肋202，四个阶梯递增纵向肋202在三维肋片机构2的肋基201外表面的弧面上均匀分布，相邻两个阶梯递增纵向肋202之间的夹角为45°。

在本实施例中，作为优选方案，如图3所示，在一个阶梯递增纵向肋202上存在三层环向肋203，三层环向肋203均为圆弧状、且由内而外弧形板长度递增，最外层环向肋203两端分别与相邻的阶梯递增纵向肋202的最外层环向肋203端面接触；优选地，每个最外层环向肋203的曲率相同，因此，所有最外层环向肋203相互拼合成为圆筒状；优选地，最内层环向肋203均具有相同的曲率；优选地，中间层环向肋203均具有相同的曲率。

在本实施例中，作为优选方案，相同层的环向肋203长度相同，不同层之间的环向肋203长度以相同的比例递增；优选地，不同层之间的环向肋203长度递增比例为2。

在本实施例中，作为优选方案，肋片材料选用高导热系数材料，如纯铝、铝合金、纯铜、铜合金、石墨制品等；优选地，肋片的加工工艺可采用精铸、挤压成型或3D打印。

在本发明的具体实施例中，固定件为弹簧卡3，弹簧卡3的卡紧部位为圆弧状，一个弹簧卡3将所有三维肋片机构2的肋基201卡紧在基管1表面；采用弹簧卡3可以实现快速安装或者快速拆卸，同时因为肋片质量较轻，弹簧卡3的卡紧能力足以满足使用要求。

在本实施例中，作为优选方案，弹簧卡3有两个，分别设置在三维肋片机构2的肋基201的两端上。

在本实施例中，作为优选方案，固定件还可选取卡箍或弹簧圈。

在本发明的具体实施例中，基管1直径范围为19mm～42mm，肋基201、纵向肋202和环向肋203的厚度选择范围为0.5mm～1.2mm，纵向肋202递增比例是根据基管1直径和基管1在固液相变介质中布置的疏密程度以及整个传热系统在储取热过程中对于热响应速率的要求来确定，以保证固液相变介质能够均匀的被加热和满足系统对于热响应速率要求为原则，环向肋203的直径以及各环向肋比例确定与纵向肋202比例确定规则一样，肋片的具体材料可以采用纯铝、铝合金、紫铜、铜合金、石墨制品等导热系数较大的材料，一般导热系数从几十W/M-K到几百W/M-K均可。

在本实施例中，作为优选方案，基管外径为20mm，肋基、纵向肋和环向肋的厚度均为1mm；肋基内径为20mm，包裹在基管外；纵向肋与肋基接触处宽度为8mm，在距基管轴心15mm处宽度增加为16mm，在距基管轴心20mm处宽度增加为32mm，纵向肋递增比例为2，纵向肋的数量为8个，相邻两个纵向肋之间的夹角为45°；环向肋包括三层结构，最外层环向肋的外圆直径为80mm、长度为31.4mm，中间层环向肋的外圆直径为65mm、长度为20.9mm，最内层环向肋的外圆直径为50mm、长度为14mm，环向肋递增比例为1.5。

在本实施例中，作为优选方案，弹簧卡自由状态下卡紧部直径为16mm，弹簧卡为钢制。

在本实施例中，作为优选方案，肋基、纵向肋和环向肋的材料采用石墨，导热系数为500W/M-K。

本发明的储热取热装置在实施时，如图1所示，将两个三维肋片机构2通过两个弹簧卡3固定在基管1上，在基管1内流通载热流体时，载热流体热量传递给基管1外壁，再由基管1传递给三维肋片机构2以及基管1附近的储热介质，由于储热介质为相变介质，即储热介质通过固液相变从而吸收或放出大量的量能，而温度不变，因此，储热介质固液相之间不能产生因为温差而引起的对流，不能有效的均匀分配热量，此时，距离肋基201较远的储热介质还处于固相状态；通过三维肋片机构2高导热性能将肋基热量传递至储热介质的三维空间，实现热流量在储热介质整个区域内均匀的分布，即实现在加热熔化或者冷却凝固过程中相变介质整个区域内液相比例的变化一致，进而实现相变过程发生的程度在整个区域内均匀进行，避免了由于热流不均匀而出现大范围的相界出现，增加导热热阻的问题；避免了储取热过程时间响应慢，进而影响稳定运行的问题；避免了由于取热不完全储热介质中热量积蓄的问题；避免了由于热量积蓄，储热无法进行的问题等一些列问题；另外在显热储热过程中，本发明的储热取热装置也能够通过三维肋片机构2将载热流体传来的热量传递给储热介质，更好的实现对流，从而起到提高热传导效率的效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三维肋片结构的固液相变储热取热装置，其特征在于，所述储热取热装置包括：

基管，所述基管呈管状结构，用于作为载热流体的流通管道；

三维肋片机构，所述三维肋片机构设置在所述基管外围，用于在所述基管内部的载热流体与所述基管外部的储热介质之间进行等效导热；

固定件，所述固定件可拆卸地将所述三维肋片机构固定在所述基管的管壁外围；

所述三维肋片机构包括：

肋基，所述肋基用于所述基管与所述三维肋片机构之间的热量传导；所述肋基内表面与所述基管外表面接触连接，所述肋基外表面固定连接有纵向肋；

纵向肋，所述纵向肋设置在所述肋基外表面并沿所述基管径向方向向外延伸；

环向肋，所述环向肋设置在所述纵向肋末端区域，用于增加所述三维肋片机构与所述储热介质之间的传热面积；

所述环向肋的截面形状呈圆弧状；

所述纵向肋随着所述基管径向方向向外延伸时，宽度递增。

2.如权利要求1所述的三维肋片结构的固液相变储热取热装置，其特征在于，所述纵向肋有多个，多个所述纵向肋在所述肋基外表面上均匀分布。

3.如权利要求1所述的三维肋片结构的固液相变储热取热装置，其特征在于，所述纵向肋的宽度呈阶梯状递增。

4.如权利要求1所述的三维肋片结构的固液相变储热取热装置，其特征在于，沿着所述纵向肋的长度方向设置多层所述环向肋。

5.如权利要求4所述的三维肋片结构的固液相变储热取热装置，其特征在于，自内向外，各层所述环向肋的长度递增。

6.如权利要求1所述的三维肋片结构的固液相变储热取热装置，其特征在于，所述三维肋片机构的数量为多个，多个三维肋片机构在基管外围圆周分布。

7.如权利要求1所述的三维肋片结构的固液相变储热取热装置，其特征在于，所述固定件为弹簧卡。