CN108871032A - 一种仿生梯级相变储能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿生梯级相变储能装置，包括换热板以及与换热板接触换热的储能板，在所述换热板内设置有仿生梯级流道，所述仿生梯级流道为叶形仿生梯级分叉流道，包括中间主流道、沿中间主流道向两边分叉延伸的叶形仿生梯级分叉流道以及边缘流道；所述叶形仿生梯级分叉流道的末端与所述边缘流道连通；在储能板内设置有金属孔架结构以及填充在金属孔架结构内的相变材料，金属孔架结构为变孔隙率的泡沫金属板，泡沫金属板的孔隙率由中间主流道向两侧逐步递减。本发明能够有效改善相变材料的导热特性，提高相变材料的吸放热速率和储热量；提高与热流体的换热效率，减少能量损耗；结构简单，便于组装和拆卸，为能源系统的高效可靠运行提供保证。

Description

一种仿生梯级相变储能装置
技术领域
本发明涉及一种储能装置，具体涉及的是一种为改善相变储能性能并实现高效快速传热而设计的具有算法优化孔架结构特征的仿生梯级相变储能板。
背景技术
相变储能技术因其以相变传热作为基本传热方式而具有优异的储能性能，被广泛应用于电力调峰、工业余热回收、太阳能热利用等领域。储能板作为一种相变储能装置，具有结构简单、均温性良好、工作适应性好以及有利于对大型热源进行集中存储等优点，在热电储能系统、余热回收等领域有着广阔的应用前景。
目前传统的储能板储能性能优化方案一般是采用在换热面上设置凸起结构、纳米复合相变材料、改善板型等，这些技术改进对腔体内相变材料和外部热流体之间的换热效率产生了一定改善作用，但是在储能板的实际应用中，纳米复合强化导热相变材料由于具有复合不稳定性，易发生储热能力恶化。随着热流体流量的变化，换热面上热流体的流动会出现流动阻力较大的现象。此外，由于相变材料普遍具有导热性能差的缺点，随着热流体相变换热过程的进行，热量传递较慢，容易发生相变不完全的现象，这都在一定程度上限制了储能板的储热能力。因此，传统储能板的相变材料布置方案并不是实际工作环境下有效储热的最佳解决方案，迫切需要寻求一种新型高效的储热方案和技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提出的一种变孔隙率优化孔架结构仿生梯级相变储能板，该储能板能够保证热流体的热量更加充分的传递到整个换热面，增强换热流体间的换热特性，提高储能性能，为储能系统的高效可靠运行提供保证。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
一种仿生梯级相变储能装置，包括换热板以及与换热板接触换热的储能板，其特征在于：在所述换热板内设置有仿生梯级流道，所述仿生梯级流道为叶形仿生梯级分叉流道，包括中间主流道、沿中间主流道向两边分叉延伸的叶形仿生梯级分叉流道以及边缘流道；所述叶形仿生梯级分叉流道的末端与所述边缘流道连通；在所述储能板内设置有金属孔架结构以及填充在金属孔架结构内的相变材料，所述金属孔架结构为变孔隙率的泡沫金属板，泡沫金属板的孔隙率由中间主流道向两侧逐步递减。
泡沫金属板的孔隙率由中间主流道向两侧线性递减，主流道区域孔隙率为90％，边缘孔隙率为85％。
在所述储能板上设置有用于填充相变材料的充液孔。
所述充液孔设置在所述储能板底部。
所述叶形仿生梯级分叉流道的分叉支数为5-10支，分叉级数为2-6级，每一级流道在下一级都将分成两个更窄的流道，所述分叉流道的宽度为10-40mm，所述分叉流道的深度为10mm。
本发明储能装置，换热面为布置有叶形仿生梯级分叉结构的热流体流道，梯级流道结构可以使流体流动更顺畅，使热流体的热量能更好的传递到整个受热面，增强换热面的换热能力。
经算法优化孔架结构相变腔为由充填有相变材料的金属孔架，金属孔架结构的孔径数为100-200ppi，孔隙率为85％-90％，孔径数是指1英寸(25.4毫米)长度拥有的孔数，孔隙率可以说明块状材料中孔隙间的疏密程度，即孔隙率越高，泡沫金属中孔隙体积越大，导热性能越低；反之，孔隙率越低，孔隙体积越小，导热性能越强。通过对所述的泡沫金属进行建模分析，可以得到导热系数和相变速率随孔隙率的变化规律，通过多次对比确定当孔隙率为85％到90％的线性分布时，导热性能较好。金属孔架制作采用烧结法，将金属粒子在较高温度下融化成液相，在表面张力和毛细力的作用下，让物料颗粒之间相互接触和作用，而后冷却固结成为金属孔架结构。
金属孔架结构、储能板外壁面根据实际应用情况可选用铜、铝等材料。
变孔隙率优化孔架结构仿生梯级相变储能装置，增加了孔隙率算法优化设计、孔架内嵌相变材料和叶形仿生分叉流道结构，提高了对热流体的热利用率和相变吸放热速率，改善了相变储能性能，使储能系统能够稳定高效运行。
本发明储能装置中采用变孔隙率孔泡沫金属板，其中泡沫金属板的孔隙率大小成一定规则，通过数值方法计算出0.9左右的泡沫金属孔隙率能同时保证较高的孔隙容积和导热特性。孔隙率高于0.9的泡沫金属，虽然孔隙容积较大，可填充更多的相变材料，但也会使得金属材料比重减少，导热性能降低，热量在受热边界局部集聚，内部形成较大的温差，使相变材料的融化时间大大增加，降低相变储热性能。因此将孔隙率相对较高、导热性能相对较低的泡沫金属布置在主流道区，将孔隙率相对较低、导热性能相对较好的泡沫金属布置在边缘区域，减缓中间主流道区域的相变材料融化速度，提高边缘受热较少区域的导热能力，将更多的热量传递给相变材料，使边缘相变材料的融化加快，保证整个内部相变融化前沿呈平行移动。这种变孔隙率孔架结构相变腔具有制作工艺简单、布置方便、相变腔内的温差较小的特点，可以根据整个热平面的受热分布情况调整各个区域的导热性能，加快相变界面移动速度。实验证明：相变前沿平行移动时腔内相变材料完全融化所需要的时间最短，此时相变材料的完全融化时间能够缩短到单一孔隙率工况下的50％左右。因此，本发明通过对泡沫金属孔隙率进行算法优化，设计了一种沿中间主流道向两边壁面由高到低，中间线性变化的变孔隙率孔架结构相变腔，以达到对热流体热量快速、充分的吸收和存储，使相变腔内的工作介质相变速率提高的目的。
本发明在储能板的上换热面布置叶形仿生梯级分叉流道结构，从主流道开始至边缘壁面逐渐分叉形成分流道，意在通过流道的分流效应增强工质循环的顺畅性，减少热流体流量变化对于换热性能的影响，保证热流道的热量能够更加充分的传递到整个换热面，达到强化热流体与相变材料之间换热效率的目的。
另外，本发明在相变腔内使用烧结泡沫金属孔架结构代替传统的微尺度粒子复合相变材料强化技术，旨在通过在泡沫金属孔架结构中填充相变材料以增强相变材料的导热性能，提高材料的吸放热速率，保证了储能系统的稳定高效运行。
有益效果
本发明公开了一种变孔隙率优化孔架结构仿生梯级相变储能装置，换热面上的叶形仿生分叉流道结构能通过分流效应提高工质流动的顺畅性，有效提高换热效率；相变腔内的孔架结构可有效改善相变腔内相变材料的导热系数，增加外部热流体与相变材料之间的热传导能力，提高了相变材料的热稳定性，改善储能效率；通过孔隙率优化算法根据换热面的受热情况布置孔隙率分布，能够有效减少相变腔内的温差，提高相变界面的移动速度，减少储能过程的进行时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单的介绍。
图1为本发明仿生梯级相变储能装置立体结构示意图。
图2为本发明仿生梯级相变储能装置换热面梯级分叉结构热流体流道平面示意图。
图3是图2的分支示意图；
图4为本发明的仿生梯级相变储能装置下壁面平面示意图。
图5为本发明的仿生梯级相变储能装置相变腔内部孔架结构立体示意图。
图6为本发明的仿生梯级相变储能装置相变腔内部孔架结构经过孔隙率算法优化设计后的孔隙分布曲线，
图中，1.换热面；2.孔架结构；3.前壁面；4.下壁面；5.后壁面；6.充液孔；7.主流道；8.二级流道；9.三级流道；10.边缘流道。
具体实施方式
下面结合附图说明进行更进一步的详细说明：
图1所示为变孔隙率优化孔架结构仿生梯级相变储能装置的立体结构示意图，是由换热面1、下壁面4、后壁面5、前壁面3和孔架结构2构成的密闭储能装置，相变腔由金属孔架结构2和相变材料组成。换热面1和下壁面4通过环形壁面连接；相变腔内的孔架结构由烧结泡沫金属组成，中间填充相变材料的孔隙经过孔隙率算法优化，设计为孔隙率中间高、两边低，中间线性变化分布的变孔隙率结构，参见图6所示，中间位置的孔隙率为0.9；边缘区域的孔隙率为0.85。在换热面1上配置有热流体流道，热流体P经热流体流道与储能板换热。热流体流道为沿中间主流道向外分叉延伸的梯级分叉流道。另外，在下壁面4上还设置充液孔6。
图2所示为换热面1梯级分叉结构热流体流道平面示意图，换热面1为叶形仿生梯级分叉平面结构，换热面1上布置有热流体流道，如图所示，流道分为主流道7、二级流道8、三级流道9和边缘流道10，流道结构为由中间主流道向两边分叉延伸的梯级分叉流道，分叉支数为5-20支，分叉级数为2-6。在本实施例中，分叉支数为14支，分叉级数为2级，每一级流道在下一级都将分成两个更小的流道。每个分叉都最终汇聚到宽度为10mm的边缘通道中，最后经边缘通道和主通道的交汇处流出。叶形梯级分叉结构的热流体流道主要是借助了分形理论进行优化设计。将流道设计成叶形既可通过分流效应改善工质循环，提高工质流动的顺畅性，又能增大热流体与相变材料的换热面积，使热量能更高效的传递到整个换热面。此外，叶脉式的通道设计可以使热流体更均匀充分地分布在整个换热面上，在实现相同换热效果的情况下，尽可能节约热流体的流量。
图4所示为下壁面4的平面结构示意图，在下壁面4上设置有充液孔6，通过充液孔6可向相变腔内充入一定量相变工质。
图5所示为孔架结构立体结构示意图，孔架结构由烧结泡沫金属材料制成，本发明利用建模分析对烧结泡沫金属的孔隙率进行了优化布置，图6给出了孔架结构优化设计后孔隙率的分布情况。该孔架结构配合换热面叶形仿生分叉流道结构，能有效提高相变材料的导热系数和两种流体间的换热效率，减少了储能过程中相变腔内的温差，缩短了相变界面的移动时间，以此增强了储热效率和能力。

Claims (6)

1.一种仿生梯级相变储能装置，包括换热板以及与换热板接触换热的储能板，其特征在于：在所述换热板内设置有仿生梯级流道，所述仿生梯级流道为叶形仿生梯级分叉流道，包括中间主流道、沿中间主流道向两边分叉延伸的叶形仿生梯级分叉流道以及边缘流道；所述叶形仿生梯级分叉流道的末端与所述边缘流道连通；在所述储能板内设置有金属孔架结构以及填充在金属孔架结构内的相变材料，所述金属孔架结构为变孔隙率的泡沫金属板，泡沫金属板的孔隙率由中间主流道向两侧逐步递减。
2.根据权利要求1所述的仿生梯级相变储能装置，其特征在于：泡沫金属板的孔隙率由中间主流道向两侧线性递减，主流道区域孔隙率为90％，边缘孔隙率为85％。
3.根据权利要求1所述的仿生梯级相变储能装置，其特征在于：在所述储能板上设置有用于填充相变材料的充液孔。
4.根据权利要求3所述的仿生梯级相变储能装置，其特征在于：所述充液孔设置在所述储能板底部。
5.根据权利要求3所述的仿生梯级相变储能装置，其特征在于：所述叶形仿生梯级分叉流道的分叉支数为5-10支，分叉级数为2-6级，每一级流道在下一级都将分成两个更窄的流道，所述分叉流道的宽度为10-40mm，所述分叉流道的深度为10mm。
6.根据权利要求1-5任一所述的仿生梯级相变储能装置，其特征在于：所述换热板为铜板或铝板；所述储能板为铜板或铝板。
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