CN108709446B - 一种可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可移动潜热‑显热‑潜热梯级相变快速蓄热储能装置，包括储能结构和移动结构，移动结构固定连接于储能结构下方，所述储能结构内部空间有相变储能材料。本发明储热装置可移动，可利用储能材料的固液相变潜热、显热和汽液相变潜热，金属网架为网状结构，金属网架和多级传热热管具有很好的力学性能，导热性能优异，用以改善相变储能材料热性能，利用多级热管技术和金属网架的结构，使得蓄放热速度快，储能密度高，体积小，经济性好，整个储能装置无动力部件，节能环保，可广泛用于工业余热回收，谷电加热储能，太阳能集热储存等领域。

Description

一种可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置

技术领域

本发明涉及相变储能利用技术和新能源利用技术领域。具体地说是一种可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置。

背景技术

相变储能材料(PCM)是以材料发生相变时吸收或释放大量热量，实现能量的存储和利用，是缓解能量供求双方在时间和地点上不匹配的有效方式，在工业余热回收、太阳能集热系统、低谷电热利用等领域的应用越来越广泛。但是，长期以来，目前已有技术中，储能装置大多采用固定方式，使得其使用范围有限，移动不便，储能材料更换成本高，相变储能装置外部未做隔热措施，造成相变材料中存储的大量热能通过其他途径流失，尤其是只是利用了相变储能材料的固液相变或汽液相变中的一种相变潜热储能、而没有把固液相变潜热、显热和汽液相变潜热进行综合利用，从而造成储能密度低，体积大，成本高等问题而难以推广。

太阳能热利用逐步从太阳能热水器拓展到太阳能采暖和太阳能干燥等工农业利用领域，已得到推广和应用。然而，由于太阳能受季节和昼夜变化、天气变化以及使用能源方对时间和地点的影响，使得大量太阳能集热工程采集的热量无法即时就地消纳，使得大部分太阳能集热工程利用效率低下，甚至处于半闲置状态。

余热是在已投运的工业企业耗能装置中，原始设计未被合理利用的显热和潜热。它包括高温废气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热、可燃废气废液和废料余热等。但是针对余热回收利用的问题有余热回收再利用领域，长期以来缺乏高效的储能回收装置和技术，从而造成余热的浪费，急需可移动、大热容量的储能装置。

近年全国各大城市都在大力推行煤改电，煤改清洁能源工作，实现电采暖器，热泵、电锅炉等电能采暖方式、现有的电采暖设备大部分为直接采暖设备，这些设备耗能大，使电力系统负荷加大，导致电网负荷率下降，经济性不好，百姓用不起。对于实施低谷电价政策的城市和地区，需要有效的储能装置把夜间低谷电用热能方式储存起来，而目前市场上鲜有此类技术和装置。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于一种可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，包括储能结构和移动结构，移动结构固定连接于储能结构下方，所述储能结构内部空间有相变储能材料。

上述可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，所述储能结构包括胶囊框架组、传热热管组、监测控制组和电加热组；所述传热热管组安装在胶囊框架组内，所述监测控制组布置在胶囊框架组上，所述电加热组的电加热装置安装在所述传热热管组上。

上述可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，所述胶囊框架组包括圆形封头、金属外壳、保温层和金属网架，所述保温层位于金属外壳和圆形封头的内侧壁上，所述圆形封头位于金属外壳的前端，圆形封头与金属外壳通过法兰盘密封连接，多组所述金属网架竖直排列在金属外壳的内部，所述金属网架的上下两端固定连接在金属外壳内壁上，所述金属网架为网状结构，在所述金属外壳的顶部和底部分别设置有上料口和下料口；所述金属外壳的材质为不锈钢，厚度为5-8mm，所述金属网架是由金属杆构成的网状结构、网状结构的网目为50-200mm，金属杆的直径为2-5mm，相邻所述金属网架之间的间距为300-500mm。

上述可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，所述传热热管组包括分别固定安装在所述金属网架上的一级热管、二级热管和三级热管；

所述一级热管包括一级热管蒸发段、一级热管冷凝段、一级热管灌液尾管和一级热管凹槽；所述一级热管蒸发段的第一端斜向下依次穿过所述保温层和金属外壳，所述一级热管蒸发段与所述金属外壳焊接连接，所述一级热管冷凝段的两端分别与所述一级热管蒸发段的第二端及一级热管灌液尾管流体导通，一级热管蒸发段和一级热管冷凝段之间的夹角为130-160°，所述一级热管冷凝段位于金属外壳内部的底部，所述一级热管冷凝段与水平面呈5-15°角斜向上倾斜，所述一级热管凹槽位于所述一级热管冷凝段的外侧壁上，在所述一级热管内装有一级热管工质；

所述二级热管位于金属外壳内部的中部，所述二级热管与水平面呈15-45°角倾斜，所述二级热管为两根以上，形成二级热管阵列组；所述二级热管包括二级热管蒸发段、二级热管灌液尾管以及位于所述二级热管蒸发段和所述二级热管灌液尾管之间的二级热管冷凝段；所述二级热管蒸发段的底端插入所述一级热管凹槽内，所述二级热管蒸发段、所述二级热管冷凝段和所述二级热管灌液尾管之间流体导通，在所述二级热管内装有二级热管工质；

所述三级热管包括三级热管蒸发段、三级热管冷凝段、三级热管金属细管管束、三级热管灌液尾管和三级热管凹槽，所述三级热管蒸发段位于金属外壳内部的上部，所述三级热管凹槽位于所述三级热管蒸发段的外侧壁上，所述二级热管冷凝段的顶端插入所述三级热管凹槽的凹槽内，所述三级热管蒸发段与所述一级热管冷凝段平行，即所述三级热管蒸发段与水平面呈5-15°角斜向上倾斜；所述三级热管冷凝段的第一端依次穿过金属外壳和保温层，并与位于所述金属外壳内的所述三级热管蒸发段流体导通连接；所述三级热管冷凝段与所述金属外壳之间焊接连接，所述三级热管金属细管管束的一端与所述三级热管冷凝段的第二端流体导通连接、另一端与所述三级热管灌液尾管流体导通连接；在所述三级热管内装有三级热管工质；

所述一级热管、所述二级热管和所三级热管的管壁的厚度为0.8-1.2mm；所述一级热管工质、所述二级热管工质和所述三级热管工质的制备方法如下：将1000mL蒸馏水、7g重铬酸钾、1g氢氧化钠、1g结晶氯化铝和1g氢氧化锂，置于容器中，搅拌均匀，再用吸管滴入0.1-0.8mL的磷酸，搅拌均匀，然后调节溶液的pH值到7。

上述可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，所述监测控制组包括单向排空阀、控制面板、温度测量器、压力测量器和报警蜂鸣器；所述控制面板安装在所述圆形封头外表面的中心位置，所述报警蜂鸣器安装在所述圆形封头外表面的上部位置，所述温度测量器和所述压力测量器分别密封安装在温度测量器安装孔和压力测量器安装孔上，所述温度测量器安装孔和所述压力测量器安装孔分别位于所述金属外壳的顶部，并与所述金属外壳的内部空间导通，所述单向排空阀位于所述金属外壳的顶部，并与所述金属外壳的内部空间导通；所述温度测量器温度信号传输线和所述压力测量器压力信号传输线分别与所述控制面板连接，所述控制面板接收所述温度测量器输出的温度信号以及所述压力测量器输出的压力信号，所述控制面板的信号输出端与所述报警蜂鸣器的信号输入端通信连接。

上述可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，所述电加热组还包括电源接口，所述电加热装置安装在所述二级热管蒸发段上；所述电源接口安装在所述金属外壳外侧壁的下部位置，并与所述电加热装置导电相连。

上述可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，所述移动结构包括牵引柄杆、折叠支撑架、移动轮和金属支架，所述金属支架位于金属外壳正下方，并与金属外壳固定连接，所述折叠支撑架和所述移动轮分别安装在所述金属支架的底部，所述牵引柄杆安装在所述金属支架的前端；所述下料口的自由端向下穿过所述金属支架并位于所述金属支架的下方。

上述可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，所述相变储能材料位于所述金属外壳内部，所述相变储能材料的液化温度为60-100℃，汽化温度为250-450℃，所述相变储能材料的加入量为金属外壳内部空间体积的50％-80％。

上述可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，所述一级热管冷凝段的直径是所述一级热管蒸发段直径的1.5-3倍，所述一级热管凹槽的内径与所述二级热管蒸发段的外径相等，所述三级热管凹槽与所述二级热管冷凝段的外径相等。

上述可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，在吸热储能过程中，三级热管冷凝段和三级热管金属细管管束用绝热保护套包裹；在放热释能过程中，一级热管蒸发段用绝热保护套包裹；所述三级热管金属细管管束由两个以上的内径小于所述三级热管蒸发段内径的细管组成，每个所述细管的一端均分别与所述三级热管冷凝段的第二端流体导通连接、另一端均分别与所述三级热管灌液尾管流体导通连接。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：本发明的储能装置可移动，可利用储能材料的固液相变潜热、显热和汽液相变潜热，相变储能材料的固液相变潜热为150KJ/kg～550kJ/kg，储能液体状态比热容1.8kJ(kg·℃)～4.7kJ(kg·℃)，相变储能材料的液气相变潜热为1200KJ/kg～2500kJ/kg；通过相变储能材料固液相变、液态温度升高和气液相变，1吨储能材料可吸收或释放1890MJ～4460MJ的热量，通过储能材料固-液-气三态的梯级变化储能，极大地提高了储热能力。金属网架为网状结构，金属网架和多级传热热管具有很好的力学性能，导热性能优异，用以改善相变储能材料热性能，利用多级热管技术以及热管阵列组和金属网架的结构，使得蓄放热速度快，一级热管蒸发段受热后，在2～5秒内启动，工质蒸发传热，启动后传热速度高于现有已知金属的热传导速度，储能密度高，体积小，经济性好，整个储能装置无动力部件，节能环保，可广泛用于工业余热回收，谷电加热储能，太阳能集热储存等领域。

本发明通过相互独立的一级热管阵列、二级热管阵列和三级热管阵列，实现了多级热管传热均匀、传热速度快，彻底避免了目前热管中的工质在储能装置内部自下而上一体贯通而导致的热量容易从热管的一端迅速传送到另一端的现象；本发明的储能装置储热速度快、放热速度也快，可以很好地适应储热和放热过程不在同一时间和地点的现实需要。

本发明能够充分利用相变储能材料的固液相变潜热和液汽相变潜热进行蓄能和释能，根据压力变化将储能装置设计成可以承压的，其内部压力是变化的，充分满足潜热-显热-潜热的储能需要。

附图说明

图1本发明可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置的结构示意图；

图2本发明可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置的一级热管结构示意图；

图3本发明可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置的二级热管结构示意图；

图4本发明可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置的三级热管结构示意图。

图中附图标记表示为：1-金属网架，2-报警蜂鸣器，3-三级热管，4-控制面板，5-二级热管，6-一级热管，7-牵引柄杆，8-折叠支撑架，9-移动轮，10-金属支架，11-下料口，12-电源接口，13-电加热装置，14-相变储能材料，15-保温层，16-金属外壳，17-单向排空阀，18-温度测量器，19-压力测量器，20-上料口，21-法兰盘，22-圆形封头，61-一级热管工质，62-一级热管蒸发段，63-一级热管冷凝段，64-一级热管凹槽，65-一级热管灌液尾管，51-二级热管工质，52-二级热管蒸发段，53-二级热管冷凝段，54-二级灌液尾管，31-三级热管工质，32-三级热管蒸发段，33-三级热管盲管，34-三级热管冷凝段，35-三级金属细管管束，36-三级灌液尾管。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的一种可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，为易于封闭的卧式胶囊形储能装置，包括储能结构和移动结构，所述移动结构固定连接于储能结构下方，所述储能结构内部空间有相变储能材料14。

所述储能结构包括胶囊框架组、传热热管组、监测控制组和电加热组；所述传热热管组安装在胶囊框架组内，所述监测控制组布置在胶囊框架组上，所述电加热组的电加热装置13安装在所述传热热管组上。

如图1所示，所述胶囊框架组包括圆形封头22、金属外壳16、保温层15和金属网架1，所述保温层15位于圆形封头22和金属外壳16的内侧壁上，防止储存到装置中的热量散失，所述圆形封头22位于金属外壳16的前端，圆形封头22与金属外壳16通过法兰盘21密封连接，便于拆卸、维护和更换储热材料；多组所述金属网架1竖直排列在金属外壳16的内部，所述金属网架1的上下两端固定连接在金属外壳16内壁上，所述金属网架1为网状结构，在所述金属外壳16的顶部和底部分别设置有上料口20和下料口11，用以更换相变储能材料，加料口和卸料口要易于密封。所述金属外壳16，由不锈钢材料制作，厚度为5-8mm，能够承受一定的相变储能材料汽化后所产生的压强，不与储能材料及保温层15的材料发生化学反应，不会形成污染。所述金属网架是由金属杆构成的网状结构、网状结构的网目为50-200mm，金属杆的直径为2-5mm，相邻所述金属网架1之间的间距为300-500mm。

如图1所示，所述传热热管组包括分别固定安装在所述金属网架1上的一级热管6、二级热管5和三级热管3。

如图1和图2所示，所述一级热管6包括一级热管蒸发段62、一级热管冷凝段63、一级热管灌液尾管65和一级热管凹槽64；所述一级热管蒸发段62的第一端斜向下依次穿过所述保温层15和金属外壳16，所述一级热管蒸发段62与所述金属外壳16焊接连接，用以连接外部热源，吸收热量，所述一级热管冷凝段63的两端分别与所述一级热管蒸发段62的第二端及一级热管灌液尾管65流体导通，一级热管蒸发段62和一级热管冷凝段63之间的夹角为130-160°，所述一级热管冷凝段63位于金属外壳16内部的底部，所述一级热管冷凝段63与水平面呈5-15°角斜向上倾斜，所述一级热管凹槽64位于所述一级热管冷凝段63的外侧壁上，在所述一级热管6内装有一级热管工质61。

如图1和图3所示，所述二级热管5位于金属外壳16的内部的中部，所述二级热管5与水平面呈15-45°角倾斜，便于传热和工质回流；所述二级热管5设置有多根，形成二级热管阵列组，所述二级热管5包括二级热管蒸发段52、二级热管灌液尾管54以及位于所述二级热管蒸发段52和所述二级热管灌液尾管54之间的二级热管冷凝段53；所述二级热管蒸发段52的底端插入所述一级热管凹槽64内，所述二级热管蒸发段52、所述二级热管冷凝段53和二级热管灌液尾管54之间流体导通，在所述二级热管5内装有二级热管工质51。

如图1和图4所示，所述三级热管3包括三级热管蒸发段32、三级热管冷凝段34、三级热管金属细管管束35、三级热管灌液尾管36和三级热管凹槽33，所述三级热管蒸发段32位于金属外壳16内部的上部，所述三级热管凹槽33位于所述三级热管蒸发段32的外侧壁上，所述二级热管冷凝段53的顶端插入所述三级热管凹槽33的凹槽内，所述三级热管蒸发段32与所述一级热管冷凝段63平行，即三级热管蒸发段32与水平面呈5-15°角斜向上倾斜；所述三级热管冷凝段34的第一端依次金属外壳16和穿过保温层15，并与位于所述金属外壳16内所述三级热管蒸发段32流体导通；所述三级热管冷凝段34与所述金属外壳16之间焊接连接，所述三级热管金属细管管束35的一端与所述三级热管冷凝段34的第二端流体导通连接、另一端与所述三级热管灌液尾管36流体导通连接；在所述三级热管3内装有三级热管工质31。

所述一级热管6、所述二级热管5和所三级热管3的管壁的厚度为0.8-1.2mm；所述一级热管工质61、所述二级热管工质51和所述三级热管工质31的制备方法如下：将1000mL蒸馏水、7g重铬酸钾、1g氢氧化钠、1g结晶氯化铝和1g氢氧化锂，置于容器中，搅拌均匀，再用吸管滴入0.1-0.8mL的磷酸，搅拌均匀，然后调节溶液的pH值到7。

在所述一级热管蒸发段62和三级热管冷凝段34及三级热管金属细管管束35的外表面包裹有绝热保护套；所述三级热管金属细管管束35由两个以上的内径小于所述三级热管蒸发段32内径的细管组成，每个所述细管的一端均分别与所述三级热管冷凝段34的第二端流体导通连接、另一端均分别与所述三级热管灌液尾管36流体导通连接。在储能装置吸热储能过程中，外置的三级热管冷凝段34和三级热管金属细管管束35用绝热保护套包裹，避免储热的同时大量释放热量。在储能装置放热释能过程中，外置的一级热管蒸发段62用绝热保护套包裹，避免放热的同时大量热能浪费。

储能装置的内部采用多级热管阵列和金属网架结构，导热性能优异，用以改善储能装置内部的传热性能和力学性能，蓄放热速度快。

一级热管6、二级热管5和三级热管3的冷凝段端头分别有一级热管灌液尾管65、二级热管灌液尾管54和三级热管灌液尾管36，方便灌入传热工质、排出热管中的不凝结的气体和封口。

本实施例采用物理上相互独立的一级热管6、二级热管5和三级热管3，并且每根二级热管5之间均相互独立；中部的金属网架和二级热管阵列在储能装置内的中部空间组成传热网络，下部的金属网架和一级热管在储能装置内的底部空间组成传热网络，上部的金属网架和三级热管在储能装置内的上部空间组成传热网络。

在吸热储能时：外界热能通过所述一级热管6快速且均匀地传递到储能装置内部，由于一级热管6和二级热管5相互独立、二者内的传热工质互不导通且二级热管5的下端位于一级热管6上的一级热管凹槽64内，所以在初始阶段能够实现加热后的一级热管工质61主要对储能装置底部的相变储能材料14进行均匀加热，虽然此时加热后的一级热管工质61也能够迅速地对二级热管5下端头内的二级热管工质51进行无差别传热，但由于此时储能装置底部的相变储能材料14温度较低且一级热管6和二级热管5之间通过热管壁接触传热，因而二级热管工质51很难快速将大量的热量传递到储能装置中部及上部。在储能装置底部的相变储能材料14达到一定温度之后，二级热管5下端内的二级热管工质51才开始将较多的热量逐步传递到储能装置的中部及上部。由于此时相变储能材料14的温度尚未达到沸点、并且二级热管5上端是位于三级热管3表面上的三级热管盲管33内，从而使得二级热管工质51向三级热管3传热相对较少，不足以使得三级热管3内的三级热管工质31将更多的热量传递到三级热管冷凝段34及三级热管金属细管管束35，从而可以减少在吸热蓄能阶段造成的热量损失。随着底部液态的相变储能材料14不断吸热，从而实现了充分利用相变储能材料14液相的显热蓄能。当相变储能材料14达到沸点之后开始气化，由于三级热管3位于储能装置的上部，而相变储能材料14达到沸点之后的气化时间相对固-液转变以及液相显热吸热时间较短，这样蓄热过程中也不会造成较多的热量损失。由此可以看出，由于在储能装置内部将一级热管工质61、二级热管工质51和三级热管工质31相互之间进行物理隔绝，从而实现了蓄热过程中自底部相变储能材料14、中部相变储能材料14、至上部相变储能材料14依次呈现阶梯状蓄热和相变，确保了整个储能装置内的相变储能材料14全部由固态变为液态之后再利用液态相变储能材料14显热蓄热、最后再利用相变储能材料14液气转化的潜热蓄热。相比在储能装置内部自下而上传热工质没有物理隔绝的储能装置而言，相变储能材料14整体受热均匀、潜热-显热-潜热利用的同步性比较好，彻底避免目前储能装置中存在的相变储能材料14相变不同步而导致蓄热量少、蓄热效率低、蓄热时间长以及蓄热过程热量损失多的缺陷。

在放热释能时：三级热管工质31将热量通过三级金属细管管束35传递出去，随着气态的相变储能材料14温度降低，气态的相变储能材料14开始冷凝成液态的相变储能材料14而位于储能装置的底部；当气态的相变储能材料14全部转变成液态的时候，一级热管工质61和二级热管工质51自下而上将液态的相变储能材料14储存的热量向上输送；随着液态的相变储能材料14的温度进一步降低，储能装置上部的相变储能材料14首先变为固态，但由于二级热管阵列和金属网架持续不断地将底部热量输送至上部，使得上部的相变储能材料14不能全部凝固，随着放热释能的进行，储能装置中部的相变储能材料14再变为固态并逐步延伸至下部的相变储能材料4。这样就实现了储能装置内的相变储能材料14自上而下均匀、无差别地释放热量，彻底避免由于相变储能材料14不能均匀放热而导致的相变不同步、放热释能不同步、以及非线性对外供热的现象发生。

如图1所示，所述监测控制组包括单向排空阀17、控制面板4、温度测量器18、压力测量器19和报警蜂鸣器2；所述控制面板4安装在圆形封头22外表面的中心位置，所述报警蜂鸣器2安装在金圆形封头22的外表面的上部位置，所述温度测量器18和所述压力测量器19分别密封安装在温度测量器安装孔和压力测量器安装孔上，所述温度测量器安装孔和所述压力测量器安装孔分别位于所述金属外壳16的顶部，并与所述金属外壳16的内部空间导通，所述单向排空阀17位于所述金属外壳16的顶部，并与所述金属外壳16的内部空间导通；所述温度测量器18温度信号传输线和所述压力测量器19压力信号传输线分别与所述控制面板4相连，所述控制面板4接收所述温度测量器18输出的温度信号以及所述压力测量器19输出的压力信号，所述控制面板4的信号输出端与所述报警蜂鸣器2的信号输入端通信连接。所述温度测量器18和所述压力测量器19测量储能装置中的温度和压力状态参数，传输到控制面板显示和记录，并判断储能装置的蓄放热状态，当相变储能材料的温度低于汽化温度时，打开单向排空阀17，释放不易凝结的空气，当温度达到相变储能材料的汽化温度时，关闭单向排空阀17，当压力超过10Mpa时，储能装置的报警蜂鸣器2开始报警，提示储能装置停止蓄热。

如图1所示，所述电加热组还包括电源接口12，所述电加热装置13安装在所述二级热管蒸发段52上，所述电源接口12安装在所述金属外壳16外侧壁的下部位置，并与所述电加热装置13导电相连，为所述电加热装置13供电。所述电源接口12和所述电加热装置13可用于将谷电的电能转变成热能加以储存。

如图1所示，所述移动结构包括牵引柄杆7、折叠支撑架8、移动轮9和金属支架10，所述金属支架10位于金属外壳16正下方，并与金属外壳16固定连接，所述折叠支撑架8和所述移动轮9分别安装在所述金属支架10的底部，所述牵引柄杆7安装在所述金属支架10的前端；所述下料口11的自由端向下穿过所述金属支架10并位于所述金属支架10的下方。所述折叠支撑架8用以平衡储能装置，而牵引柄杆7用以人工或机动车牵拉。

所述相变储能材料14位于所述金属外壳16内部，所述相变储能材料14的液化温度为60-100℃，汽化温度为250-450℃，相变储能材料的固液相变潜热为150KJ/kg～550kJ/kg，储能液体状态比热容1.8kJ(kg·℃)～4.7kJ(kg·℃)，相变储能材料的液气相变潜热为1200KJ/kg～2500kJ/kg；所述相变储能材料14的加入量为金属外壳16内部空间体积的50％-80％。相变储能材料14与金属不发生化学反应，不会形成污染。当温度达到固液相变温度时，相变储能材料14开始熔化，吸收热量并转化成固液相变潜热加以存储，当全部熔化完之后，相变储能材料14继续吸收热量，温度升高，当温度达到汽化温度时，相变储能材料14开始汽化，吸收热量并转化成汽液相变潜热加以存储。相变储能材料14最大体积为金属外壳16内部容器体积的50％～80％，预留出固液相变或汽液相变所产生的体积变化增量。

如图1至图4所示。所述一级热管冷凝段63的直径是所述一级热管蒸发段62直径的1.5-3倍，所述一级热管凹槽64的内径与所述二级热管蒸发段52的外径相等，所述三级热管凹槽33的内径与所述二级热管冷凝段53的外径相等，便于将一级热管6、二级热管5和三级热管3组装拼接在一起。

本发明装置的组装和工作原理为：

(1)热管传热工质的制备：将1000mL蒸馏水、7g重铬酸钾、1g氢氧化钠、1g结晶氯化铝和1g氢氧化锂，置于容器中，搅拌均匀，再用吸管滴入0.1-0.8mL的磷酸，搅拌均匀，然后调节溶液的pH值到7。

(2)制备多级热管：一级热管蒸发段62、二级热管蒸发段52和三级热管蒸发段32的端口焊接密封，然后从一级热管灌液尾管65、二级热管灌液尾管54和三级热管灌液尾管36分别向一级热管6、二级热管5和三级热管3中加入10mL的热管传热工质，将一级热管1的一级热管蒸发段62、二级热管5的二级热管蒸发段52和三级热管3的三级热管蒸发段32放入加热装置中，加热到从一级热管灌液尾管65、二级热管灌液尾管54和三级热管灌液尾管36处排出的蒸汽冷凝后的传热工质为2-5mL时，则一级热管6、二级热管5和三级热管3中的传热工质为5-8mL，然后迅速封闭尾管，并用焊机密封。

(3)胶囊框架组和传热热管组组装

将制备完成的一级热管6、二级热管5和三级热管3与胶囊框架组组装在一起。

所述一级热管(6)包括一级热管蒸发段62、一级热管冷凝段63、一级热管灌液尾管65和一级热管凹槽64；所述一级热管蒸发段62的第一端斜向下依次穿过所述保温层15和金属外壳16，所述一级热管蒸发段62与所述金属外壳16焊接连接，所述一级热管冷凝段63的两端分别与所述一级热管蒸发段62的第二端及一级热管灌液尾管65流体导通，一级热管蒸发段62和一级热管冷凝段63之间的夹角为130-160°，所述一级热管冷凝段63位于金属外壳16内部的底部，所述一级热管冷凝段63与水平面呈5-15°角斜向上倾斜，所述一级热管凹槽64位于所述一级热管冷凝段63的外侧壁上，在所述一级热管(6)内装有一级热管工质61；

所述二级热管5位于金属外壳(16)的内部的中部，所述二级热管5与水平面呈15-45°角倾斜，所述二级热管5设置有多组，形成二级热管阵列组；所述二级热管5包括二级热管蒸发段52、二级热管灌液尾管54以及位于所述二级热管蒸发段52和所述二级热管灌液尾管54之间的二级热管冷凝段53；所述二级热管蒸发段52的底端插入所述一级热管凹槽64内，所述二级热管冷凝段53与所述金属网架1相连，所述二级热管蒸发段52、所述二级热管冷凝段53和所述二级热管灌液尾管54之间流体导通，在所述二级热管5内装有二级热管工质51，所述三级热管3位于金属外壳(16)的上部，包括三级热管蒸发段32、三级热管冷凝段34、三级热管金属细管管束35、三级热管灌液尾管36和三级热管凹槽33，所述三级热管凹槽33位于所述三级热管蒸发段32的外侧壁上，所述二级热管冷凝段53的顶端插入所述三级热管凹槽33的凹槽内，所述三级热管蒸发段32与所述一级热管蒸发段62平行，即所述三级热管蒸发段32与水平面呈5-15°角斜向上倾斜；所述三级热管冷凝段34的第一端依次穿过金属外壳16和保温层15，并与位于所述金属外壳16内的所述三级热管蒸发段32流体导通连接；所述三级热管冷凝段34与所述金属外壳16之间焊接连接，所述三级热管金属细管管束35设置在所述三级热管冷凝段34内部，所述三级热管灌液尾管36设置在所述三级热管冷凝段34的第二端端头上；在所述三级热管3内装有三级热管工质31；

所述一级热管6、所述二级热管5和所三级热管3的管壁的厚度为0.8-1.2mm。

所述一级热管6、所述二级热管5和所三级热管3按照上述方式安装在储能装置内部，要保证三级热管蒸发段32与一级热管蒸发段62平行，并且与水平面呈5-15°角斜向上倾斜，所述二级热管5与水平面呈15-45°角倾斜。

所述胶囊框架组包括圆形封头22、金属外壳16、保温层15和金属网架1，所述保温层15位于金属外壳16和圆形封头22的内侧壁上，所述圆形封头22位于金属外壳16的前端，圆形封头22与金属外壳16通过法兰盘21密封连接，多组所述金属网架1竖直排列在金属外壳16的内部，所述金属网架1的上下两端固定连接在金属外壳16内壁上，所述金属网架1为网状结构，在所述胶囊框架组的顶部和底部分别设置有上料口20和下料口11；所述金属外壳的16的材质为不锈钢，厚度为5-8mm，所述金属网架1的金属杆构成网状结构、网状结构的网目为50-200mm，金属杆的直径为2-5mm，相邻所述金属网架1之间的间距为300-500mm。

(4)监测控制组组装

胶囊框架组和传热热管组组装安装后，再在金属外壳上安装监测控制组。

所述监测控制组包括单向排空阀17、控制面板4、温度测量器18、压力测量器19和报警蜂鸣器2；所述控制面板4安装在所述圆形封头22外表面的中心位置，所述报警蜂鸣器2安装在所述圆形封头22外表面的上部位置，所述温度测量器18和所述压力测量器19分别密封安装在温度测量器安装孔和压力测量器安装孔上，所述温度测量器安装孔和所述压力测量器安装孔分别位于所述金属外壳16的顶部，并与所述金属外壳16的内部空间导通，所述单向排空阀17位于所述金属外壳16的顶部，并与所述金属外壳16的内部空间导通；所述温度测量器18温度信号传输线和所述压力测量器19压力信号传输线分别与所述控制面板4连接，所述控制面板4接收所述温度测量器18输出的温度信号以及所述压力测量器19输出的压力信号，所述控制面板4的信号输出端与所述报警蜂鸣器2的信号输入端通信连接。

(5)电加热组组装

为了能够更好的利用夜间低谷电，还要安装电加热组，电加热组包括电源接口12和电加热装置13，所述电加热装置13安装在所述二级热管蒸发段52，所述电源接口12安装在所述金属外壳16外侧壁的下部位置，并与所述电加热装置13导电相连，为所述电加热装置13供电。

(6)移动结构组装

为了解决移动不便的问题，储能装置还安装了移动结构。所述移动结构包括牵引柄杆7、折叠支撑架8、移动轮9和金属支架10，所述金属支架10位于金属外壳16正下方，并与金属外壳16固定连接，所述折叠支撑架8和所述移动轮9分别安装在所述金属支架10的底部，所述牵引柄杆7安装在所述金属支架10的前端。

(7)向传热装置中加入相变储能材料

蓄热储能装置组装完毕后，关闭传热装置的下料口11，从上料口20缓慢向所述金属外壳16内部空间灌入所述相变储能材料14，所述相变储能材料14的液化温度为60-100℃，汽化温度为250-450℃，所述相变储能材料14的加入量为金属外壳16内部空间体积的50％-80％。所用的相变储能材料无衰减，寿命长，可多次释放热。相变储能材料14与金属外壳16、金属网架1和金属热管均不发生化学反应，传热不传质，不会形成污染。

(8)对加热管进行加热

在环境温度下，一级热管工质61、二级热管工质51和三级热管工质31分别位于在一级热管蒸发段62、二级热管蒸发段52和三级热管蒸发段32的底部位置。

可利用工业余热或太阳能装置对一级热管蒸发段62底部的一级热管工质61进行加热，一级热管传热工质61吸热后蒸发，2～5秒内启动，工质蒸发传热，汽化的一级热管传热工质61上升到一级热管冷凝段63，并传递热量，一级热管冷凝段63对插入到一级热管凹槽64内的二级热管蒸发段52底部的二级热管工质51进行加热，一级热管传热工质61传热后冷凝，回流到一级热管蒸发段62，再进行吸热；吸收热量后二级热管工质51，汽化，传递热量到金属网架1和二级热管冷凝段53，二级热管工质51传热后，冷凝回流到二级热管蒸发段52底部，再进行吸热；吸热后的金属网架1和二级热管冷凝段53对二级热管冷凝段53插入到三级热管凹槽33的凹槽内的三级热管蒸发段32加热，三级热管蒸发段32底部的三级热管工质31吸热汽化，并传递热量到三级热管冷凝段34内，三级热管工质31传热后冷凝回流到三级热管蒸发段32底部，再进行吸热；

在一级热管蒸发段62和三级热管冷凝段34及三级热管金属细管管束35的外表面包裹有绝热保护套，避免热量的释放，造成浪费。在储能装置吸热过程储热过程中，外置的三级热管冷凝段34及三级热管金属细管管束35用绝热保护套包裹，避免储热的同时大量释放热量。在储能装置放热释能过程中，外置的一级热管蒸发段62用绝热保护套包裹，避免放热的同时大量热能浪费。

通过一级热管传热工质61、二级热管工质51和三级热管工质31分别在一级热管6、二级热管5和三级热管3内吸热汽化，传递热量后冷凝回流，使储能装置内部的相变储能材料加热储能。

为适应市场煤改电采暖的需求，还可以利用谷电，通过电加热组对加热管进行加热，打开电源接口12，对安装在所述二级热管蒸发段52的电加热装置13供电，电加热装置13产生热能，对二级热管蒸发段52底部的二级热管工质51进行加热，二级热管工质51吸热后，传递热量到金属网架1和二级热管冷凝段53，吸热后的金属网架1和二级热管冷凝段53对二级热管冷凝段53插入到三级热管凹槽33的凹槽内的三级热管蒸发段32加热，三级热管蒸发段32底部的三级热管工质31吸热汽化，并传递热量到三级热管冷凝段34内，三级热管工质31传热后冷凝回流到三级热管蒸发段32底部，再进行吸热；通过一级热管6、二级热管5和三级热管3间的热量传递，使储能装置内部的相变储能材料加热储能。用于将谷电的电能转变成热能加以储存，将热量再用于供暖等用途，在实行低谷电价的城市和地区，降低电采暖费用。

在对多级热管进行加热时，在三级热管冷凝段34及三级热管金属细管管束35的外表面包裹有绝热保护套，避免储热的同时大量释放热量。

(9)相变储能材料储能

随着一级热管6、二级热管5和三级热管3间的热量传递，温度逐渐上升，当温度达到在60～100℃之间得的固液相变温度时，相变储能材料开始融化，继续吸收热量并转化成固液相变潜热，加以存储，当全部熔化完之后，相变储能材料继续吸收热量，温度升高，当温度达到250～450℃之间的汽化温度时，相变储能材料开始汽化，吸收热量并转化成汽液相变潜热加以存储。

(10)对储能装置蓄放热状态监测控制

金属外壳16安装有温度测量器18和压力测量器19，用以测量温度和压力参数，温度信号和压力信号传输到控制面板进行显示，并监测，判断储能装置的蓄放热状态，当相变储能材料的温度低于汽化温度时，打开单向排空阀17，释放不易凝结的空气，当温度达到汽化温度时，关闭单向排空阀17；当压力超过10MPa时，储能装置的报警蜂鸣器2开始报警，此时停止蓄热。

(11)储能装置放热

需要储能装置放热时，通过所述三级热管金属细管管束35的外表面与传热工质换热，所述三级热管金属细管管束35有多个细管组成，这样可以大大增加换热接触面积，提高换热速度；相变储能材料14对三级热管蒸发段32内的三级热管工质31加热，三级热管工质31受热蒸发、汽化，将热量传递到外置的三级热管冷凝段34和三级热管金属细管管束35，最后通过与三级热管金属细管管束35外表面接触的传热工质将储能装置储存的热量传递给需要传热的装置和物体。在储能装置放热过程中，外置的一级热管蒸发段62用绝热保护套包裹，避免放热的同时大量热能浪费。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，其特征在于，包括储能结构和移动结构，移动结构固定连接于储能结构下方，所述储能结构内部空间有相变储能材料(14)；所述储能结构包括胶囊框架组、传热热管组、监测控制组和电加热组；所述传热热管组安装在胶囊框架组内，所述监测控制组布置在胶囊框架组上，所述电加热组的电加热装置(13)安装在所述传热热管组上；

所述传热热管组包括分别固定安装在金属网架(1)上的一级热管(6)、二级热管(5)和三级热管(3)；

所述一级热管(6)包括一级热管蒸发段(62)、一级热管冷凝段(63)、一级热管灌液尾管(65)和一级热管凹槽(64)；所述一级热管蒸发段(62)的第一端斜向下依次穿过保温层(15)和金属外壳(16)，所述一级热管蒸发段(62)与所述金属外壳(16)焊接连接，所述一级热管冷凝段(63)的两端分别与所述一级热管蒸发段(62)的第二端及一级热管灌液尾管(65)流体导通，一级热管蒸发段(62)和一级热管冷凝段(63)之间的夹角为130-160°，所述一级热管冷凝段(63)位于金属外壳(16)内部的底部，所述一级热管冷凝段(63)与水平面呈5-15°角斜向上倾斜，所述一级热管凹槽(64)位于所述一级热管冷凝段(63)的外侧壁上，在所述一级热管(6)内装有一级热管工质(61)；

所述二级热管(5)位于金属外壳(16)内部的中部，所述二级热管(5)与水平面呈15-45°角倾斜，所述二级热管(5)为两根以上，形成二级热管阵列组；所述二级热管(5)包括二级热管蒸发段(52)、二级热管灌液尾管(54)以及位于所述二级热管蒸发段(52)和所述二级热管灌液尾管(54)之间的二级热管冷凝段(53)；所述二级热管蒸发段(52)的底端插入所述一级热管凹槽(64)内，所述二级热管蒸发段(52)、所述二级热管冷凝段(53)和所述二级热管灌液尾管(54)之间流体导通，在所述二级热管(5)内装有二级热管工质(51)；

所述三级热管(3)包括三级热管蒸发段(32)、三级热管冷凝段(34)、三级热管金属细管管束(35)、三级热管灌液尾管(36)和三级热管凹槽(33)，所述三级热管蒸发段(32)位于金属外壳(16)内部的上部，所述三级热管凹槽(33)位于所述三级热管蒸发段(32)的外侧壁上，所述二级热管冷凝段(53)的顶端插入所述三级热管凹槽(33)的凹槽内，所述三级热管蒸发段(32)与所述一级热管冷凝段(63)平行，即所述三级热管蒸发段(32)与水平面呈5-15°角斜向上倾斜；所述三级热管冷凝段(34)的第一端依次穿过金属外壳(16)和保温层(15)，并与位于所述金属外壳(16)内的所述三级热管蒸发段(32)流体导通连接；所述三级热管冷凝段(34)与所述金属外壳(16)之间焊接连接，所述三级热管金属细管管束(35)的一端与所述三级热管冷凝段(34)的第二端流体导通连接、另一端与所述三级热管灌液尾管(36)流体导通连接；在所述三级热管(3)内装有三级热管工质(31)；

所述一级热管(6)、所述二级热管(5)和所三级热管(3)的管壁的厚度为0.8-1.2mm；所述一级热管工质(61)、所述二级热管工质(51)和所述三级热管工质(31)的制备方法如下：将1000mL蒸馏水、7g重铬酸钾、1g氢氧化钠、1g结晶氯化铝和1g氢氧化锂，置于容器中，搅拌均匀，再用吸管滴入0.1-0.8mL的磷酸，搅拌均匀，然后调节溶液的pH值到7。

2.根据权利要求1所述的可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，其特征在于，所述胶囊框架组包括圆形封头(22)、金属外壳(16)、保温层(15)和金属网架(1)，所述保温层(15)位于金属外壳(16)和圆形封头(22)的内侧壁上，所述圆形封头(22)位于金属外壳(16)的前端，圆形封头(22)与金属外壳(16)通过法兰盘(21)密封连接，多组所述金属网架(1)竖直排列在金属外壳(16)的内部，所述金属网架(1)的上下两端固定连接在金属外壳(16)内壁上，所述金属网架(1)为网状结构，在所述金属外壳(16)的顶部和底部分别设置有上料口(20)和下料口(11)；所述金属外壳的(16)的材质为不锈钢，厚度为5-8mm，所述金属网架(1)是由金属杆构成的网状结构、所述网状结构的网目为50-200mm，金属杆的直径为2-5mm，相邻所述金属网架(1)之间的间距为300-500mm。

3.根据权利要求2所述的可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，其特征在于，所述监测控制组包括单向排空阀(17)、控制面板(4)、温度测量器(18)、压力测量器(19)和报警蜂鸣器(2)；所述控制面板(4)安装在所述圆形封头(22)外表面的中心位置，所述报警蜂鸣器(2)安装在所述圆形封头(22)外表面的上部位置，所述温度测量器(18)和所述压力测量器(19)分别密封安装在温度测量器安装孔和压力测量器安装孔上，所述温度测量器安装孔和所述压力测量器安装孔分别位于所述金属外壳(16)的顶部，并与所述金属外壳(16)的内部空间导通，所述单向排空阀(17)位于所述金属外壳(16)的顶部，并与所述金属外壳(16)的内部空间导通；所述温度测量器(18)温度信号传输线和所述压力测量器(19)压力信号传输线分别与所述控制面板(4)连接，所述控制面板(4)接收所述温度测量器(18)输出的温度信号以及所述压力测量器(19)输出的压力信号，所述控制面板(4)的信号输出端与所述报警蜂鸣器(2)的信号输入端通信连接。

4.根据权利要求1所述的可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，其特征在于，所述电加热组还包括电源接口(12)，所述电加热装置(13)安装在所述二级热管蒸发段(52)上；所述电源接口(12)安装在所述金属外壳(16)外侧壁的下部位置，并与所述电加热装置(13)导电相连。

5.根据权利要求2所述的可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，其特征在于，所述移动结构包括牵引柄杆(7)、折叠支撑架(8)、移动轮(9)和金属支架(10)，所述金属支架(10)位于金属外壳(16)正下方，并与金属外壳(16)固定连接，所述折叠支撑架(8)和所述移动轮(9)分别安装在所述金属支架(10)的底部，所述牵引柄杆(7)安装在所述金属支架(10)的前端；所述下料口(11)的自由端向下穿过所述金属支架(10)并位于所述金属支架(10)的下方。

6.根据权利要求2所述的可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，其特征在于，所述相变储能材料(14)位于所述金属外壳(16)内部，所述相变储能材料(14)的液化温度为60-100℃，汽化温度为250-450℃，所述相变储能材料(14)的加入量为金属外壳(16)内部空间体积的50％-80％。

7.根据权利要求1所述的可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，其特征在于，所述一级热管冷凝段(63)的直径是所述一级热管蒸发段(62)直径的1.5-3倍，所述一级热管凹槽(64)的内径与所述二级热管蒸发段(52)的外径相等，所述三级热管凹槽(33)的内径与所述二级热管冷凝段(53)的外径相等。

8.根据权利要求1所述的可移动潜热-显热-潜热梯级相变快速蓄热储能装置，其特征在于，在吸热储能过程中，三级热管冷凝段(34)和三级热管金属细管管束(35)用绝热保护套包裹；在放热释能过程中，一级热管蒸发段(62)用绝热保护套包裹；所述三级热管金属细管管束(35)由两个以上的内径小于所述三级热管蒸发段(32)内径的细管组成，每个所述细管的一端均分别与所述三级热管冷凝段(34)的第二端流体导通连接、另一端均分别与所述三级热管灌液尾管(36)流体导通连接。

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