CN108917446A - 一种热管辅助强化换热的相变蓄热胶囊及相变蓄热装置 - Google Patents

一种热管辅助强化换热的相变蓄热胶囊及相变蓄热装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种热管辅助强化换热的相变蓄热胶囊及相变蓄热装置。本发明首先公开了热管辅助强化换热的相变蓄热胶囊，包括：壳体；两端均贯穿并延伸至壳体外的热管对，所述热管对包括由接头对接在一起的两根热管，所述接头处于壳体内；其中，每根热管包括置于壳体外的第一换热段、置于壳体内的第二换热段及连接第一换热段与第二换热段的绝热段，所述绝热段一部分置于壳体外，对应另一部分置于壳体内；及填充在所述热管对外的所述壳体内的相变蓄热材料。本发明进一步公开了一种相变蓄热装置。本发明相变蓄热胶囊采用热管辅助强化换热，有效改善了相变蓄热胶囊和相变蓄热装置的蓄放热速度，提高蓄放热效果，且结构简单、紧凑，便于加工制作。

Description

一种热管辅助强化换热的相变蓄热胶囊及相变蓄热装置
技术领域
本发明涉及蓄热技术领域。更具体地，涉及一种热管辅助强化换热的相变蓄热胶囊及相变蓄热装置。
背景技术
储热技术是热能利用的重要技术。随着太阳能热利用、太阳能热发电、余热回收等技术的不断发展，储热技术作为一种有效改善间歇性热源能量可调度性的技术，日益受到学术与工业界的广泛重视。储热技术主要分为显热蓄热、相变(潜热)蓄热和化学能蓄热三大类。相变蓄热具有蓄热量大、蓄放热温度比较稳定等特点，已经成为蓄热技术发展的重要方向。然而，目前相变蓄热的一个主要不足之处是蓄热与放热过程的时间比较长，蓄放热速率较慢，严重影响热能的及时存储与及时释放。
填充床式蓄热器是大容量相变蓄热装置的主要形式之一，具有较高的蓄放热密度及效率。相变蓄热胶囊是填充床蓄热器的关键部件，其中封装着相变蓄热材料。将一定数量的相变蓄热胶囊堆砌于蓄热器中，形成填充床的蓄热功能区。由于采用封装胶囊技术，换热流体与相变胶囊的接触面积变大，因此蓄放热速率及密度要高于同体积的管壳式蓄热器。但相变材料的低导热率仍是制约填充床蓄热器蓄放热速率的主要原因。
目前，可通过以下几种方法进行强化相变传热：(1)添加翅片结构；(2)添加石墨、金属等高导材料；(3)使用热管技术。添加翅片在一定程度上限制了相变过程中的自然对流，且占据一定空间，对微、小型蓄热装置(如相变胶囊)适用性不高，不适用于填充床蓄热器。金属、石墨等材料的造价高，经济性较差。热管具有快速均温、高导热性、恒温性、热流密度及方向可变性等优势，且强化效果显著，加工难度较小，适用于蓄热胶囊的强化换热。
目前蓄热胶囊的封装方式主要为球形，但球形胶囊与热管结合会使胶囊间的距离增加，蓄热罐的相变胶囊填充率降低，且胶囊堆砌易造成蓄热单元的损坏。因此，需要提供一种新型的相变蓄热胶囊及相变蓄热装置，以提高蓄放热速度。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种热管辅助强化换热的相变蓄热胶囊，其能有效改善蓄放热速度，提高蓄放热效果，且结构简单、紧凑，便于加工制作。
本发明的另一个目的在于提供一种包含上述相变蓄热胶囊的相变蓄热装置。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供了一种热管辅助强化换热的相变蓄热胶囊，包括：
壳体；
两端均贯穿并延伸至壳体外的热管对，所述热管对包括由接头对接在一起的两根热管，所述接头处于壳体内；其中，每根热管包括置于壳体外的第一换热段、置于壳体内的第二换热段及连接第一换热段与第二换热段的绝热段，所述绝热段一部分置于壳体外，对应另一部分置于壳体内；
及填充在所述热管对外的所述壳体内的相变蓄热材料。
本发明中当相变蓄热胶囊处于蓄热过程时，热管置于壳体外的第一换热段为蒸发段，热管置于壳体内的第二换热段为冷凝段；反之，当相变蓄热胶囊处于放热过程时，热管置于壳体外的第一换热段为冷凝段，热管置于壳体内的第二换热段为蒸发段。
进一步，所述壳体为圆柱形壳体，所述热管对沿圆柱形壳体的轴向贯穿并延伸出圆柱形壳体两个圆面的外侧。
进一步，所述相变蓄热材料为硝酸钾、硝酸钠、氯化钾、氯化镁、氯化钠等无机盐中的一种或几种的混合物。
进一步，所述壳体的材料为304号不锈钢、1018号碳钢等钢制材料。
进一步，所述热管对的数量可以为多个，且均匀布设。
本发明还提供了包含若干个相变蓄热胶囊的相变蓄热装置。
进一步，所述相变蓄热装置中的相变蓄热胶囊的交错排布方式可以为横向交错排列、纵向交错排列、纵横交错排列中一种或多种。
本发明的有益效果如下：
本发明相变蓄热胶囊采用热管辅助强化换热，可有效提高相变蓄热胶囊的蓄放热速度，且结构简单、紧凑，便于加工制作。另外，本发明相变蓄热胶囊采用不同的交错排布方式构建成相变蓄热装置，使得相变蓄热装置不但具有较好的蓄放热效果，还具有空间占用面积小等优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出热管辅助强化换热的相变蓄热胶囊的剖视图。
图2示出热管辅助强化换热的相变蓄热胶囊的主视图。
图3示出具有单个热管对的相变蓄热胶囊的横截面图。
图4示出具有两个热管对的相变蓄热胶囊的横截面图。
图5示出具有三个热管对的相变蓄热胶囊的横截面图。
图6示出相变蓄热胶囊横向交错排布方式的相变蓄热装置的示意图。
图7示出相变蓄热胶囊纵向交错排布方式的相变蓄热装置的示意图。
图8示出相变蓄热胶囊纵横双向交错排布方式的相变蓄热装置的示意图。
图9示出相变蓄热胶囊纵横交错排布方式的相变蓄热装置的主视图及工作方式。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种热管辅助强化换热的相变蓄热胶囊，如图1和2所示，包括：壳体1；两端均贯穿并延伸至壳体1外的热管对，所述热管对包括由接头3对接在一起的两根热管，所述接头3处于壳体1内；其中，每根热管包括置于壳体外的第一换热段5、置于壳体内的第二换热段6及连接第一换热段5与第二换热段6的绝热段4，所述绝热段4一部分置于壳体1外，对应另一部分置于壳体1内；及填充在所述热管对外的所述壳体1内的相变蓄热材料2。
本发明中当相变蓄热胶囊处于蓄热过程时，热管置于壳体1外的第一换热段5为蒸发段，热管置于壳体1内的第二换热段6为冷凝段；反之，当相变蓄热胶囊处于放热过程时，热管置于壳体1外的第一换热段5为冷凝段，热管置于壳体1内的第二换热段6为蒸发段。本发明相变蓄热胶囊采用热管辅助强化换热，可有效提高相变蓄热胶囊的蓄放热速度，且结构简单、紧凑，便于加工制作。
在本发明优选的实施方式中，所述壳体1为圆柱形壳体，所述热管对沿圆柱形壳体的轴向贯穿并延伸出圆柱形壳体两个圆面的外侧，圆柱形壳体具有制作成本低廉，热应力特性好等优点，进一步提高了相变蓄热胶囊的蓄放热效果。
在本发明具体的实施方式中，所述壳体1的材料为304号不锈钢、1018号碳钢等钢制材料。
在本发明具体的实施方式中，所述相变蓄热材料2为硝酸钾、硝酸钠、氯化钾、氯化镁、氯化钠等无机盐中的一种或几种的混合物。
在本发明具体的实施方式中，如图3、4和5所示，所述热管对的数量可以为1个也可以为多个，当为多个时均匀布设，以进一步提高蓄放热速度。
本发明提供了包含若干个相变蓄热胶囊的相变蓄热装置，如图6、7和8所示。
本发明中所述相变蓄热装置中的相变蓄热胶囊的交错排布方式可以为多种，在本发明具体的实施方式中，可以为如图6所示的横向交错排列、如图7所示的纵向交错排列、如图8所示的纵横交错排列中一种或多种。
本发明所述相变蓄热装置的工作过程如图9所示，在蓄热过程中，传热流体自上而下通过绕流流过排布的相变蓄热胶囊表面以及热管第一换热段5并进行对流换热，热量通过壳体1以及热管第一换热段5传递到胶囊内部第二换热段6，第二换热段6将热量释放给相变蓄热材料2使其逐渐融化，将热量存储在液相的相变蓄热材料2中，该过程中壳体1外部的热管第一换热段5为热管的蒸发段，起到加速吸热的作用，热管置于壳体1内部的第二换热段6为热管的冷凝段；在放热过程中，传热流体自下而上绕流流过排布的相变蓄热胶囊表面以及热管第一换热段5并进行对流换热，热量通过热管和壳体1从壳体1内的液态的相变蓄热材料2传递给换热流体，相变蓄热材料2逐渐凝固。该过程中壳体1外的第一换热段5为热管的冷凝段，起到加速放热的作用，热管置于壳体1内的第二换热段6为热管的蒸发段。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，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，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种热管辅助强化换热的相变蓄热胶囊，其特征在于，包括：
壳体；
两端均贯穿并延伸至壳体外的热管对，所述热管对包括由接头对接在一起的两根热管，所述接头处于壳体内；其中，每根热管包括置于壳体外的第一换热段、置于壳体内的第二换热段及连接第一换热段与第二换热段的绝热段，所述绝热段一部分置于壳体外，对应另一部分置于壳体内；
及填充在所述热管对外的所述壳体内的相变蓄热材料。
2.根据权利要求1所述的相变蓄热胶囊，其特征在于，
所述壳体为圆柱形壳体，所述热管对沿圆柱形壳体的轴向贯穿并延伸出圆柱形壳体两个圆面的外侧。
3.根据权利要求1所述的相变蓄热胶囊，其特征在于，所述相变蓄热材料为硝酸钾、硝酸钠、氯化钾、氯化镁、氯化钠中一种或多种的混合物。
4.根据权利要求1所述的相变蓄热胶囊，其特征在于，所述壳体的材料为304号不锈钢或1018号碳钢。
5.根据权利要求1所述的相变蓄热胶囊，其特征在于，所述热管对的数量可以为多个，且均匀布设。
6.一种包含若干如权利要求1-5任一所述的相变蓄热胶囊的相变蓄热装置。
7.根据权利要求6所述的相变蓄热装置，其特征在于，所述相变蓄热装置中的相变蓄热胶囊的交错排布方式为横向交错排列、纵向交错排列、纵横交错排列中一种或多种。
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