CN109654735A - 一种相变蓄热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相变蓄热装置，包括金属壳体，金属壳体内侧壁上覆有保温层，金属壳体内放置有相变蓄热模块，相变蓄热模块包括金属框架、填充在密闭金属框架内的泡沫金属以及填充在泡沫金属中的相变材料，金属框架内还均匀排布有多根电加热丝以及呈折流形式排布的换热盘管，其中，电加热丝通过电线与外部电源连接，换热盘管的进水端与进水支管连接，换热盘管的出水端与出水支管连接。本发明相变蓄热装置具有加热、蓄热和供热水的功能，其采用相变蓄热原理，同时利用泡沫金属来形成传热骨架，有效提升了蓄热装置的热导率，将蓄热箱体采用模块化设置，便于装置的制作与维护。

Description

一种相变蓄热装置
技术领域
本发明涉及一种相变蓄热装置，属于储能装置技术领域。
背景技术
相变储能已经成为了储能领域提高能源利用效率和保护环境的重要技术。在解决热能供给与需求失配的矛盾，在太阳能利用、电力“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑和空调的节能等领域具有广泛的应用前景，是世界范围内的研究热点。
固-液相变蓄热装置具有巨大的相变潜热，在采暖、蓄冷、太阳能利用、废热回收以及建筑等领域都得到了广泛的应用。常用的相变材料普遍具有导热率较低的缺点，利用效率较低，难以满足目前越来越高的节能要求。为了改善相变储热装置的导热性能，通常在其中添加金属翅片、普通金属或石墨粉末等填充材料。但填充现有的这些导热材料存在导热率相对低、传热效果增强不明显、材料重量较大、金属粉末在相变材料中分层或沉降等问题。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种相变蓄热装置，该相变蓄热装置具有加热、蓄热和供热水功能，其采用相变蓄热原理，同时利用泡沫金属来形成传热骨架，有效提升了蓄热装置的热导率，将蓄热箱体采用模块化设置，便于装置的制作与维护。
发明内容：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：
一种相变蓄热装置，包括金属壳体，金属壳体内侧壁上覆有保温层，所述金属壳体内放置有相变蓄热模块，所述相变蓄热模块包括金属框架、填充在密闭金属框架内的泡沫金属以及填充在泡沫金属中的相变材料，所述金属框架内还均匀排布有多根电加热丝以及呈折流形式排布的换热盘管，其中，电加热丝通过电线与外部电源连接，换热盘管的进水端与进水支管连接，换热盘管的出水端与出水支管连接。
其中，所述金属壳体内放置有一个相变蓄热模块或多个相互堆叠的相变蓄热模块，多个相变蓄热模块相互并联设置。
其中，还包括水箱以及分别与水箱连接的冷水进水干管和热水出水干管；其中，冷水进水干管分别与各个相变蓄热模块的进水支管连接，同时冷水进水干管还通过补水泵连接外部补水管；热水出水干管分别与各个相变蓄热模块的出水支管连接，热水出水干管与水箱的连接管路上还设有循环泵。
其中，所述水箱上还设有输出热水水管以及与其他热泵系统的连接接口。
其中，所述泡沫金属为孔径2～3mm，孔隙率为95％的泡沫铜。
其中，所述相变材料为NH4Al(SO4)2·12H2O，其具有93.95℃的同元熔点。
其中，所述换热盘管内侧壁上设有螺旋状沟槽或呈矩阵式排布的沟槽。换热盘管采用内螺纹管能够增大换热面积并在壁面处产生较强的涡流，起到强化传热的作用。
其中，所述电加热丝与其周围泡沫金属的间距为2～3mm。考虑到泡沫金属骨架导电性等安全问题，两者留有间距防止其接触。由于泡沫金属为泡沫铜，具备一定的导电性，若电加热丝与泡沫金属接触，会使金属框架上也带电不安全。
相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：
首先，相比于现有技术中添加石墨、金属粉末等蓄热装置，本发明蓄热装置不会产生石墨、金属粉末颗粒沉降等现象；
其次，相比于其他翅片结构，本发明蓄热装置的蓄热模块使用泡沫金属，在泡沫金属中填充相变材料，使得该装置导热、储热性能更好，质量更轻，无机相变材料的过冷度小；
最后，本发明蓄热装置将蓄热模块进行模块化，这种模块化的蓄热模块可以在保温层内直接堆叠，便于整个装置的运输与安装，而且可根据实际需要的负荷要求使用模块数量，方便调节。
附图说明
图1为本发明相变蓄热装置的结构示意图；
图2为本发明相变蓄热模块的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步说明。
如图1～2所示，本发明相变蓄热装置，包括底座1以及固定在底座1上的金属壳体2，金属壳体2内侧壁上覆有保温层3，保温层3内沿纵向平行布置有若干个相变蓄热模块4，各个相变蓄热模块4之间上下堆叠，相邻相变蓄热模块4上表面与下表面贴合，每个相变蓄热模块4直接或通过卡槽放置在保温层3内；相变蓄热模块4包括金属框架4-7、均匀填充在密闭金属框架4-7内的泡沫金属4-5以及均匀填充在泡沫金属4-5中的相变材料4-4，金属框架4-7内还均匀排布有多根电加热丝4-1以及呈折流形式排布的换热盘管4-6，其中，电加热丝4-1通过电线与外部电源连接，换热盘管4-6的进水端与进水支管4-2连接，换热盘管4-6的出水端与出水支管4-3连接。
泡沫金属4-5内填充有相变材料4-4，电加热丝4-1固定安装在金属框架4-7的空腔，与泡沫金属4-5保持一定的间隙(间隙的宽度为2～3mm)。本发明相变蓄热模块4通过与金属框架4-7封闭内腔的内壁过盈配合的泡沫金属4-5，以及在泡沫金属4-5内填充相变材料4-4。泡沫金属作4-5为传热骨架，比表面积远大于传统翅片，提高了相变蓄热模块整体的有效导热系数，且不规则的内孔道促进了相变材料的成核，有效减少了相变材料的过冷度。同时，因采用高孔隙率的泡沫金属，不会过多影响相变材料4-4的填充量，保证了蓄热装置的容量。
泡沫金属4-5呈骨架结构，内部的泡孔为通孔，相变材料4-4在液体状态下灌入泡沫金属4-5的内部通孔中，泡沫金属4-5起到导热和促进相变材料4-4成核的作用。当相变材料4-4处于过冷温度会影响相变放热的功率，此时具有不规则小孔道的泡沫金属4-5会促进相变材料4-4成核相变，从而提高相变材料的放热功率。
本发明相变蓄热装置还包括水箱10以及分别与水箱10连接的冷水进水干管6和热水出水干管5；其中，冷水进水干管6分别与各个相变蓄热模块4的进水支管4-2连接，同时冷水进水干管6还通过补水泵8连接外部补水管9；热水出水干管5分别与各个相变蓄热模块4的出水支管4-3连接，热水出水干管5与水箱10的连接管路上还设有循环泵7。水箱10上还设有与热泵侧连接的连接接口11和用户侧相连接的输出热水水管12。
相变蓄热模块4中的换热盘管4-6与泡沫金属(骨架)4-5及相变材料4-4直接接触；换热盘管4-6与冷水进水支管4-2和热水出水支管4-3相连；各个相变蓄热模块4的冷、热水最终汇于冷水进水干管6和热水出水干管5，由循环水泵7提供循环动力；进水干管6上连有补水管9及补水泵8；相变蓄热模块4产生的热水流入水箱10，由输出热水水管12输出给用户。水箱10上还设置其他连接接口11，连接接口11可用于连接其他热泵系统产生的热水。
本发明相变蓄热装置分蓄热和放热两种模式。蓄热模式时，外接电源连接来自发电设备不连续、不稳定的电能传给电加热丝4-1使其发热，填充在泡沫金属骨架4-5中的相变材料4-4积蓄热量并融化，其由固态变为液态；放热模式时，开启循环泵7，冷水由冷水进水干管6流入各个相变蓄热模块4的换热盘管4-6中，相变材料4-4开始放热，其由液态变为固态，当换热盘管4-6中的水吸热到70℃，由热水出水干管5汇入水箱10中以供使用。水箱10中的水通过输出热水水管12输出到用户。当水箱10内水流量不够时，开启补水泵8，从通过补水管9从外部取水至相变蓄热装置进行加热。
本发明相变蓄热模块4放置在保温层3中，相变蓄热模块4的体积一般为：长1m×宽1m×高0.1m，金属框架4-7采用厚度为2mm的铜合金板材加工焊接而成。金属框架4-7的内腔表面加工成光滑平整面。相变蓄热模块4金属框架4-7内腔填充泡沫铜，其具有密度小，孔隙率高、比表面积大等特点，考虑相变材料填充量，本发明采用孔径为2～3mm、孔隙率为95％的通孔型泡沫铜填充到相变蓄热模块4的金属框架4-7内腔中，通过挤压的方式将泡沫铜嵌入后再把封闭内腔的上盖压合焊接成为相变储热装置的结构模块(通过挤压的方式将泡沫铜嵌入后再把金属框架4-7封闭内腔的上盖压合焊接，使泡沫铜与金属框架4-7内腔表面之间过盈配合)。在封闭内腔填充泡沫金属骨架4-5后，放入电加热丝4-1，电加热丝4-1与泡沫金属骨架4-5间留有一定的距离，一般为2～3mm，之后往泡沫金属骨架4-5中填充相变材料4-4，相变蓄热模块4上端开口通过铜板盖上封闭。相变材料4-4为NH4Al(SO4)2·12H2O，其具有93.95℃的同元熔点，该相变材料4-4具有高相变潜热，其相变温度为93.95℃，与加热水所需70℃接近且不会使水沸腾，相变材料4-4中还可加入CaF2、碳粉末减少其过冷度。换热盘管4-6采用内螺纹管，管径为12.7mm，底壁厚为0.20～0.30mm，齿高为0.10～0.25，内螺纹管能够增大换热面积并在壁面处产生较强的涡流，起到强化传热的作用。换热盘管4-6内壁也可以为呈矩阵式排布的沟槽。
每个相变蓄热模块4填充相变材料4-4时需留有一定空隙，不得过满，留有体积应满足其相变材料4-4受热膨胀时的体积。蓄热时，NH4Al(5O4)2·12H2O需严格控制温度不得超过其分解温度。放热时，首先将水箱10中的水加热到70℃，之后温度超过时再开启补水泵8。
本发明相变蓄热装置利用相变材料将不稳定的电能储存并稳定的输出，使电能得到更高效的利用，起到连续供应热水的作用。多个相变蓄热模块的设计可以灵活控制蓄热单元的数量，从而调节装置的蓄热功率。本发明能够实现模块化组装，具有效率高、维护方便和占地空间少的优点。

Claims (8)

1.一种相变蓄热装置，其特征在于：包括金属壳体，金属壳体内侧壁上覆有保温层，所述金属壳体内放置有相变蓄热模块，所述相变蓄热模块包括金属框架、填充在密闭金属框架内的泡沫金属以及填充在泡沫金属中的相变材料，所述金属框架内还均匀排布有多根电加热丝以及呈折流形式排布的换热盘管，其中，电加热丝通过电线与外部电源连接，换热盘管的进水端与进水支管连接，换热盘管的出水端与出水支管连接。
2.根据权利要求1所述的相变蓄热装置，其特征在于：所述金属壳体内放置有一个相变蓄热模块或多个相互堆叠的相变蓄热模块，多个相变蓄热模块相互并联设置。
3.根据权利要求2所述的相变蓄热装置，其特征在于：还包括水箱以及分别与水箱连接的冷水进水干管和热水出水干管；其中，冷水进水干管分别与各个相变蓄热模块的进水支管连接，同时冷水进水干管还通过补水泵连接外部补水管；热水出水干管分别与各个相变蓄热模块的出水支管连接，热水出水干管与水箱的连接管路上还设有循环泵。
4.根据权利要求3所述的相变蓄热装置，其特征在于：所述水箱上还设有输出热水水管以及与其他热泵系统的连接接口。
5.根据权利要求1所述的相变蓄热装置，其特征在于：所述泡沫金属为孔径2～3mm，孔隙率为95％的泡沫铜。
6.根据权利要求1所述的相变蓄热装置，其特征在于：所述相变材料为NH4Al(SO4)2·12H2O，其具有93.95℃的同元熔点。
7.根据权利要求1所述的相变蓄热装置，其特征在于：所述换热盘管内侧壁上设有螺旋状沟槽或呈矩阵式排布的沟槽。
8.根据权利要求1所述的相变蓄热装置，其特征在于：所述电加热丝与其周围泡沫金属的间距为2～3mm。
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