CN109631648A - 一种新型的相变蓄热换热器及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的相变蓄热换热器及工作方法，包括：蓄热换热器壳体，所述蓄热换热器壳体内部设置保温层，所述保温层内部的腔体被孔板分成上下两部分；上部分腔体内设有蓄热介质，下部分腔体内设有换热介质；所述下部分腔体通过管道连通至上部分腔体的顶部，所述管道上设有循环泵，所述保温层内部的腔体呈真空状态或负压状态。本发明有益效果：利用换热管或热管将热量传递至换热介质中，换热介质通过循环泵输送至箱体上部进行雾化喷淋，使介质与箱体中的蓄热介质进行热量交换，从而得到较好的蓄热效果。

Description

一种新型的相变蓄热换热器及工作方法

技术领域

本发明涉及一种新型的相变蓄热换热技术，主要应用于能源化工、航空航天、军工、空调制冷等领域，尤其适用于需要储存热量的场合。

背景技术

蓄热技术是利用蓄热储能材料进行能量存储的技术，按蓄热方式可分为显热蓄热、相变蓄热、热化学蓄热和吸附蓄热。相较于其他几种蓄热形式，相变蓄热是指利用蓄热介质相变过程中吸收或者放出大量相变潜热的物质特性以进行能量的储存和释放。在蓄热及释能的循环过程中，可通过热量储存、释放过程来改变热量的品位和使用时间，实现制冷、供热以及蓄热等目的。由于相变蓄热技术具有蓄热密度高、蓄放热温度稳定单位体积蓄热能力大等突出优点，目前广泛应用于太阳能热利用、工业废热和余热回收、电力移峰填谷以及工业与民用建筑和空调节能等众多领域。

现有技术公开了一种供热稳定的板式相变蓄热换热器，其在换热器内设置多个并列的密封箱，其内部设有相变蓄热体，外部冷热工质流体流经与角孔连接的波轮流道，工质与蓄热体之间使用密封箱分离，进行间接传热。这种方式可以有效的避免工质堵塞问题，同时冷热工质相互隔离，可以用于不同换热工质的蓄热放热。但该种蓄热技术存在一定的不足，由于非直接接触式换热形式，效应时间较长，将会导致蓄热时间延长；同时由于蓄热体均设置在独立的密封箱内，蓄热体之间不能相互传热，蓄热效果差。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目是提供一种相变蓄热换热器及工作方法，利用换热管或热管将热量传递至换热介质中，换热介质通过循环泵输送至箱体上部进行雾化喷淋，使介质与箱体中的蓄热介质进行热量交换，从而得到较好的蓄热效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

在一个或多个实施方式中公开的一种新型的相变蓄热换热器，包括：蓄热换热器壳体，所述蓄热换热器壳体内部设置保温层，所述保温层内部的腔体被孔板分成上下两部分；上部分腔体内设有蓄热介质，下部分腔体内设有换热介质；所述下部分腔体通过管道连通至上部分腔体的顶部，所述管道上设有循环泵，所述保温层内部的腔体呈真空或者负压状态。

进一步地，还包括：换热管束，所述换热管束一端与热源或者冷源进行换热，另一端通入下部分腔体内，与换热介质进行热交换。

进一步地，所述换热管束为热管或者换热管，换热管束内设置载热工质。

作为另外一种实施方式，所述热管包括两个不等径的同心圆管，同心圆管的内管内部设置载热工质。

进一步地，所述换热介质常温下为液体，所述换热介质的沸点低于流入载热工质的温度。

进一步地，根据不同载热工质的温度区间设置不同的换热介质种类。

进一步地，所述蓄热介质为能够储存热能的化学材料，包括：显热蓄热材料和相变蓄热材料；

优选地，所述蓄热介质选用相变蓄热材料。

进一步地，所述蓄热介质分别设置在若干蓄热球或蓄热管内。

进一步地，所述孔板下方设置托臂，托臂与保温层内部的腔体内壁连接。

进一步地，所述管道一端与下部分腔体的底部连通，另一端与上部分腔体的顶部连通；所述管道顶部出口设置雾化喷嘴。

在一个或多个实施方式中公开的一种新型的相变蓄热换热器的工作方法，包括：

充热时，高温热源通过换热管束将热量传递至换热介质，换热介质由液态蒸发为气态，气体通过孔板进入上部分腔体，与上部分腔体中的蓄热介质进行热交换后冷凝，形成液滴滴落至下部分腔体；重复上述过程，直至达到能量平衡；

放热时，低温冷源通过换热管束将冷量传递至换热介质，换热介质被冷却，通过循环泵输送至上部分腔体顶部，溶液经过喷嘴雾化，喷淋至上部分腔体内，被相变蓄热球或蓄热管加热，受自然重力作用，吸收热量后的换热介质滴落至下部分腔体；换热介质的热量通过换热管束被带出相变蓄热换热器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明中载热介质与蓄热材料相互独立运行，载热介质不与蓄热材料相接触，保证系统不会出现堵塞的情况，提高了系统的稳定性；装置中各部分独立性较好，便于拆卸维修；

2.本发明中蓄热球或蓄热管相较于其他形式的蓄热材料，具有储热密度大、设备体积小和热效率高等特点，同时球或管型材料与换热介质接触面积更大，蓄热效果更好；同时喷淋的方式，也增强了溶液的比表面积，与蓄热材料接触更充分；

3.本发明可根据不同载热介质温度区间设置不同的换热工质种类，系统的适配性更高；

4.本发明中蓄热材料通过换热工质的相变过程进行充热与放热，单位质量换热工质可携带能量较多，蓄热器所需的换热工质溶液量较少，可降低装置的运行成本。

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申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为换热管式相变蓄热换热器的结构示意图；

图2为热管式相变蓄热换热器的结构示意图；

其中，1、蓄热换热器壳体，2、保温层，3、蓄热球，4、孔板，5、换热管，6、换热介质箱体，7、换热介质，8、循环泵，9、蓄热材料箱体，10、雾化喷嘴，11、管套式热管，12、载热工质。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一些实施方式中，公开了一种新型的换热管式相变蓄热换热装置，如图1所示，包括蓄热换热器壳体1、保温层2、吸附蓄热材料3、孔板4、、换热管5、换热介质7、换热介质循环泵8和雾化喷嘴10。

蓄热换热器壳体1为长方体或圆柱体，选用耐压材料制成，可使用铸铁或不锈钢材料等，内部设置保温层2。保温层2由具有保温与防水功能的材料组成，可使用泡沫材料，例如聚氨酯发泡材料。

蓄热换热器壳体1内呈真空状态。

蓄热换热器壳体1分为上下两部分区域，上方设置蓄热介质箱体9，下方设置换热介质箱体6，两种介质之间设置孔板4分隔。

蓄热介质为能够储存热能的新型化学材料，常见蓄热材料按蓄热方式来分，可以分为四类：显热蓄热材料、相变蓄热材料、热化学蓄热材料和吸附蓄热材料。本发明中选用相变蓄热材料，利用蓄热介质相态发生变化时的蓄热及释能的过程，根据相变方式，相变材料可以分为固-气、液-气、固-液、固-固相变材料；根据相变温度，相变材料可以分为低温、中温、高温相变材料；根据材料化学组成，相变材料可以分为无机、有机、复合相变材料。为适配换热介质，本专利中主要选用低温相变材料(即相变温度不高于100℃的蓄放热材料)，可使用结晶水合盐、烃类、酯和聚合物等。例如十水硫酸钠(Na₂SO₄·10H₂O)、石蜡和脂肪酸等。

蓄热介质设置在蓄热球3或蓄热管内，蓄热球3或蓄热管包括外部壳体及内部蓄热介质两部分。外部壳体采用导热效果优良、防水、耐腐蚀材料，如可选用铝硅合金等，内部蓄热介质为上述相变蓄热材料，如石蜡等。

当采用蓄热球时，孔板4孔径小于蓄热球直径，起到支撑分隔作用。当采用蓄热管时，孔板的孔径根据需要设置即可。

孔板4下方设置托臂支撑，托臂与蓄热换热器壳体1内壁固定。

换热介质7为常温下为液体且汽化潜热值较大的工质，换热介质8种类需要根据具体工况要求设定，可选用水、乙醇、氨水等。换热介质8的沸点需要低于流入载热工质的温度，并满足换热过程能量计算要求。如流入载热工质的温度在100℃左右时可选用乙醇溶液。

换热介质循环泵8一侧通过管道与换热介质箱体6的底部连接，另一侧通过管道与蓄热介质箱体9顶部连接，管道出口设置雾化喷嘴10。雾化喷嘴10可将液滴细化，可选用实心锥喷嘴、扇形喷嘴、螺旋形喷嘴和椭圆形喷嘴，管道与喷嘴可采用螺纹连接或焊接。

换热管束一侧与高温热源或者低温冷源进行换热，另一侧通入换热介质箱体6中，与换热介质7进行热交换。换热管束外需要设置防腐涂层。

换热管束可使用若干热管或换热管5，换热管5可采用强化换热方式，如横纹槽管、螺旋槽管或螺纹管等。

换热管5内设置载热流体，换热介质箱体6可视为管壳式换热器的壳程，换热器位于蓄热换热器底部；管程连接热源及冷源流体。

本发明分为充热与放热两个工作过程。在充热时，高温热源工质通过换热管束将热量传递至换热介质，由于换热介质的沸点低于换热管束中载热介质的温度，换热介质蒸发为气态，气体通过孔板进入上方蓄热介质箱体，由于相变蓄热球或蓄热管表面及内部温度较低，气体在相变蓄热球或蓄热管表面冷凝，向壳体放热，热量由壳体向内部蓄热介质传递，蓄热介质发生相态变化，蓄热材料充热，换热介质冷凝后，形成液滴滴落至换热介质箱体中，重复以上过程，直至系统达到能量平衡；在放热时，低温冷源通过换热管束将冷量传递至换热介质，换热介质被冷却，随后开启循环泵，通过循环泵输送至蓄热换热器箱体顶部，溶液经过喷嘴雾化，喷淋至蓄热材料，由于溶液温度较低于蓄热材料温度，溶液被相变蓄热球或蓄热管加热，同时热量由蓄热介质向蓄热球或蓄热管壳体传递，蓄热介质发生相态变化。受自然重力作用，吸收热量后的换热介质向下方流动，穿过孔板，汇聚在换热介质箱体中。随着换热介质温度的升高，热量通过换热管束被带出蓄热换热器。

实施例二

在一些实施方式中，公开了一种新型的换热管式相变蓄热换热装置，如图2所示，包括：蓄热换热器壳体1、保温层2、吸附蓄热材料3、孔板4、换热介质7、换热介质循环泵8、雾化喷嘴10和热管11。

蓄热换热器壳体1为长方体或圆柱体，选用耐压材料制成，可使用铸铁或不锈钢材料等，内部设置保温层2。保温层2由具有保温与防水功能的材料组成，可使用泡沫材料，例如聚氨酯发泡材料。

蓄热换热器壳体1内呈一定的负压状态。

蓄热换热器壳体1分为上下两部分区域，上方设置蓄热介质箱体9，下方设置换热介质箱体7，两种介质之间设置孔板4分隔。

蓄热介质为能够储存热能的新型化学材料，常见蓄热材料按蓄热方式来分，可以分为四类：显热蓄热材料、相变蓄热材料、热化学蓄热材料和吸附蓄热材料。本发明中选用相变蓄热材料，利用蓄热介质相态发生变化时的蓄热及释能的过程，根据相变方式，相变材料可以分为固-气、液-气、固-液、固-固相变材料；根据相变温度，相变材料可以分为低温、中温、高温相变材料；根据材料化学组成，相变材料可以分为无机、有机、复合相变材料。为适配换热介质，本专利中主要选用低温相变材料(即相变温度不高于100℃的蓄放热材料)，可使用结晶水合盐、烃类、酯和聚合物等。例如十水硫酸钠(Na₂SO₄·10H₂O)、石蜡和脂肪酸等。

蓄热介质设置在蓄热球3或蓄热管内，蓄热球3或蓄热管包括外部壳体及内部蓄热介质两部分。外部壳体采用导热效果优良、防水、耐腐蚀材料，如可选用铝硅合金等，内部蓄热介质为上述相变蓄热材料，如石蜡等。

当采用蓄热球时，孔板4孔径小于蓄热球直径，起到支撑分隔作用。当采用蓄热管时，孔板的孔径根据需要设置即可。

孔板4下方设置托臂支撑，托臂与蓄热换热器壳体1内壁固定。

换热介质7为常温下为液体且汽化潜热值较大的工质，换热介质7种类需要根据具体工况要求设定，可选用水、乙醇、氨水等。换热介质8的沸点需要低于流入载热工质的温度，流入载热工质的温度在100℃左右时可选用乙醇溶液。

换热介质循环泵8一侧通过管道与换热介质箱体6的底部连接，另一侧通过管道与蓄热介质箱体9顶部连接，管道出口设置雾化喷嘴10。雾化喷嘴10可将液滴细化，可选用实心锥喷嘴、扇形喷嘴、螺旋形喷嘴和椭圆形喷嘴，管道与喷嘴可采用螺纹连接或焊接。

换热管束一侧与高温热源或者低温冷源进行换热，另一侧通入换热介质箱体6中，与换热介质7进行热交换。换热管束外需要设置防腐涂层。

换热管束采用套管式热管11，套管式热管11结构为两个不等径的同心圆管，热管通入换热介质箱体内，内管内部设置载热工质12，套管式热管通入换热介质箱体6中，在换热介质7与载热工质12间进行热量传递。

本发明分为充热与放热两个工作过程。在充热时，高温热源工质流经套管式热管内管将热量通过管壁传递至载热介质，由载热介质经过管外壁传递至换热介质，由于换热介质的沸点低于热管束热源工质的温度，换热介质蒸发为气态，气体通过孔板进入上方蓄热介质箱体，由于相变蓄热球或蓄热管表面及内部温度较低，气体在相变蓄热球或蓄热管表面冷凝，向壳体放热，热量由壳体向内部蓄热介质传递，蓄热介质发生相态变化，蓄热材料充热，换热介质冷凝后，形成液滴滴落至换热介质箱体中，重复以上过程，直至系统达到能量平衡；在放热时，低温冷源工质流经套管式热管内管将冷量通过热管传递至换热介质，换热介质被冷却，随后通过循环泵输送至蓄热换热器箱体顶部，溶液经过喷嘴雾化，喷淋至蓄热材料，由于溶液温度较低于蓄热材料温度，溶液被相变蓄热球或蓄热管加热，同时热量由蓄热介质向蓄热球或蓄热管壳体传递，蓄热介质发生相态变化。受自然重力作用，吸收热量后的换热介质向下方流动，穿过孔板，汇聚在换热介质箱体中。随着换热介质温度的升高，热量通过热管传递至热源工质，反向加热热源工质，热量被带出蓄热换热器。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种新型的相变蓄热换热器，其特征在于，包括：蓄热换热器壳体，所述蓄热换热器壳体内部设置保温层，所述保温层内部的腔体被孔板分成上下两部分；上部分腔体内设有蓄热介质，下部分腔体内设有换热介质；所述下部分腔体通过管道连通至上部分腔体的顶部，所述管道上设有循环泵，所述保温层内部的腔体呈真空状态或负压状态。

2.如权利要求1所述的一种新型的相变蓄热换热器，其特征在于，还包括：换热管束，所述换热管束一端与热源或者冷源进行换热，另一端通入下部分腔体内，与换热介质进行热交换。

3.如权利要求2所述的一种新型的相变蓄热换热器，其特征在于，所述换热管束为热管或者换热管，换热管束内设置载热工质。

4.如权利要求2所述的一种新型的相变蓄热换热器，其特征在于，所述换热管束包括两个不等径的同心圆管，同心圆管的内管内部设置载热工质，同心圆的外管与热源或者冷源连通。

5.如权利要求4所述的一种新型的相变蓄热换热器，其特征在于，所述换热介质常温下为液体，所述换热介质的沸点低于流入载热工质的温度。

6.如权利要求1所述的一种新型的相变蓄热换热器，其特征在于，所述蓄热介质为能够储存热能的化学材料，包括：显热蓄热材料、相变蓄热材料、热化学蓄热材料或者吸附蓄热材料；

优选地，所述蓄热介质选用相变蓄热材料。

7.如权利要求6所述的一种新型的相变蓄热换热器，其特征在于，所述蓄热介质分别设置在若干蓄热球或蓄热管内。

8.如权利要求7所述的一种新型的相变蓄热换热器，其特征在于，所述孔板下方设置托臂，托臂与保温层内部的腔体内壁连接。

9.如权利要求1所述的一种新型的相变蓄热换热器，其特征在于，所述管道一端与下部分腔体的底部连通，另一端与上部分腔体的顶部连通；所述管道顶部出口设置雾化喷嘴。

10.一种新型的相变蓄热换热器的工作方法，其特征在于，包括：

充热时，高温热源通过换热管束将热量传递至换热介质，换热介质由液态蒸发为气态，气体通过孔板进入上部分腔体，与上部分腔体中的蓄热介质进行热交换后冷凝，形成液滴滴落至下部分腔体；重复上述过程，直至达到能量平衡；

放热时，低温冷源通过换热管束将冷量传递至换热介质，换热介质被冷却，通过循环泵输送至上部分腔体顶部，溶液经过喷嘴雾化，喷淋至上部分腔体内，被相变蓄热球或蓄热管加热，受自然重力作用，吸收热量后的换热介质滴落至下部分腔体；换热介质的热量通过换热管束被带出相变蓄热换热器。