CN109737784A - 一种树肋-孔网络相变储能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种树肋‑孔网络相变储能装置，包括封闭的保温外壳，中心有中心管道，侧面设置有环形管道。中心管道外围设置有若干个主肋结构，主肋结构由若干纵向布置的矩形金属肋片焊接而成，横截面为树杈形状，主肋结构内以及相邻两个主肋结构之间设置有孔网络结构，孔网络结构的横截面为网状，主肋结构与孔网络结构之间的空隙内填充有相变材料。与现有技术相比，本发明结构紧凑，能够有效的减少储能装置中的低导热率区域的面积，进一步提高相变储能装置的储能效率，可有效提高相变储能装置中的相变材料的相变速率，保证储能装置高效运行。

Description

一种树肋-孔网络相变储能装置

技术领域

本发明涉及一种储能装置，具体涉及的是一种为提高储能效率而设计的具有树肋-孔网络结构特征的相变储能装置。

背景技术

七十年代能源危机以来，对可再生能源的研究和应用不断深入开展。但大多数可再生能源如太阳能和风能等都具有间断和稳定性差的缺点，因此，研究高效而经济的储能技术就占有特别重要的地位。

目前常用的储能方式有化学储能、显热储能、潜热储能等。其中，化学储能具有储能密度大等优点，但其系统复杂，离实际应用还较远；显热储能虽然技术上的难题不多，但储能密度低，设备体积庞大。与化学储能和显热储能相比，潜热储能不仅设备相对简单易于管理，而且还具有储能密度大的优点。同时潜热储能在储能和释能过程中近似等温，易于与运行系统相匹配。由于拥有这些优点，潜热储能在能量储存领域有着十分广阔的应用前景。

由于潜热储能设备中所使用的相变材料往往导热率较低，因此存在储能和释能过程缓慢的问题。目前，改善相变材料热特性，提高充释能效率的主要方法主要有组合不同的相变材料、相变材料微胶囊化以及添加肋片等方式。其中，通过添加肋片能够有效的提高相变储能装置的储能效率。但肋片间隙中低导热率区域仍不可避免地存在，这一缺陷使得充、释能后期的相变速率减缓。因此，为了实现充、释能全程高效率地进行。迫切需要一种新型高效的相变储能装置和技术。

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，而提供了一种具有树肋-孔网络结构的相变储能装置，该装置能够优化相变储能装置中的热流通道，保证相变储能装置的高效率运行。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种树肋-孔网络相变储能装置，包括封闭的保温外壳，中心管道，环状管道，主肋结构，孔网络结构，相变材料，传热流体；

所述保温外壳为空心的圆柱结构，保温外壳的上端中心位置设有中间管道出口，下端中心位置设有中间管道入口；

所述中心管道位于保温外壳中心，其两端分别对接传热流体中间管道出口和传热流体中间管道入口；

所述中心管道的外壁面上布置有若干个主肋结构，该主肋结构由若干纵向布置的矩形金属肋片焊接而成，主肋结构的横截面为树杈形状；

所述主肋结构的树杈形状内以及相邻两个主肋结构之间设置有孔网络结构，该孔网络结构由高效导热金属制成，孔网络结构的横截面为网状；

所述主肋结构与孔网络结构之间的空隙内填充有相变材料；主肋结构、孔网络结构和相变材料组成为树肋孔网导热体，树肋孔网导热体的侧壁与保温外壳内侧壁之间具有间隙，间隙为环状管道；

所述保温外壳侧壁的靠下位置设置有侧面环状管道入口，保温外壳侧壁的靠上位置设置有侧面环状管道出口，所述中心管道和环状管道内为传热流体。

作为进一步的优选方案，所述主肋结构的树杈形状，包括一级肋片、二级肋片和三级肋片，一级肋片的一端焊接于中心管道上，另一端焊接有两个二级肋片，每个二级肋片上焊接有两个三级肋片。

作为进一步的优选方案，每个主肋结构中的一级肋片和二级肋片的连接点均处于同一圆上；每个主肋结构中的二级肋片和三级肋片的连接点均处于同一圆上。

作为进一步的优选方案，孔网络结构由径向导热片和周向导热片组成，其横截面为多孔网状。

作为进一步的优选方案，所述保温外壳的壳壁为双层结构，双层结构内为真空状态。

作为进一步的优选方案，所述的环状管道中布置有径向方向的紊流柱，紊流柱位于树肋孔网导热体上或保温外壳内壁上。

作为进一步的优选方案，所述主肋结构的金属肋片厚度为t_N，t_N＝β^N-1t₁，β为常数，N为肋片级数(N≥2，N为整数)，且β>0，t₁为一级肋片的厚度，一级肋片、二级肋片和三级肋片的长度均为L_N，L_N＝γ^N-1L₁，γ为常数，N为肋片级数(N≥2，N为整数)，且γ>0，L₁为一级肋片的长度。

与现有技术相比，本发明公开了一种树肋-孔网络结构相变储能装置，保温外壳采用真空保温技术，可以有效的减少装置在工作过程中的热量散失；中心管道与侧面的环状管道形成传热流体双重流道，其内流通传热流体，能够使热量传递能够从内外两个方向通过主肋结构和孔网络结构向相变材料传递，提高相变速率；主肋结构具有树状分叉结构，能够优化储能装置中的热流通道；在各级肋片上延伸出金属细脉联结成细脉孔网络结构，能够消除相变传热储能装置中的低导热率区域，并能进一步提高相变储能装置中的均温特性，保证装置在充能和释能过程高效进行。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为本发明轴向二维截面示意图；

图3为本发明径向二维截面示意图；

图4为环状管道展开平铺内部示意图；

图5为主肋结构的生成过程示意图；

图6为不同γ的树状肋片对比图；

图7为不同β的树状肋片对比图；

图8为在模拟案例中采用具有树状结构肋片的储能装置的二维模型图；

图9为在模拟案例中采用具有树肋孔网导热体的储能装置的二维模型图；

图10为在模拟案例中采用具有多孔结构的储能装置的二维模型图；

图11为具有不同结构肋片的储能装置在储能过程中液相率变化对比图；

图12为具有不同结构肋片的储能装置在不同时刻固液界面对比图；

其中，1.保温外壳；2.中心管道；3侧面环状管道；4.主肋结构；5.孔网络结构；6.相变材料；7传热流体；8.中间管道入口；9.侧面环状管道入口；10.中间管道出口；11.侧面环状管道出口；12.紊流柱；41.一级肋片；42.二级肋片；43.三级肋片。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选技术方案。

树状结构肋片是一种基于仿生学原理而设计的新型肋片。与传统结构的肋片相比，树状结构肋片具有更加高效的热流通结构。因此，本发明设计了一种具有树状肋片的相变储能装置，以达到高效充、释能的目的。另外，受树叶叶脉的高效能量传输结构的启迪，本发明在储能装置的树状主肋上延伸出细脉互织成网，意在更进一步地消除肋片间的低导热区域，做到相变储能装置内部全区域的强化换热，保证相变储能装置的高效率运行。

图1所示为树肋-孔网络相变储能装置的立体结构示意图，包括封闭的保温外壳1，中心管道2，环状管道3，主肋结构4，孔网络结构5，相变材料6，传热流体7。保温外壳1为双层中空圆柱结构，其内处于真空状态，包裹在树肋孔网导热体的最外侧，所述的保温外壳1上、下端中心位置有为中心管道预留的圆形通孔。中心管道2位于树肋孔网导热体中心。主肋结构4布置在所述的中心管道2的外壁面上。孔网络结构5布置在所述的主肋结构4内以及所述的相邻的主肋结构4之间。相变材料6填充在主肋结构4与孔网络结构5之间。传热流体7分别从传热流体中间管道入口8和侧面的环状管道入口9流入中心管道2和侧面环状管道3，经过与储能装置中的相变材料6的换热过程后再分别由传热流体中间管道出口10和侧面环状管道出口11流出。所述的侧面环状管道3中布置有紊流柱12。

图2所示为树肋-孔网络相变储能装置的轴向二维截面示意图，如图所示，在工作过程中，传热流体自下而上地在传热流体双重流道内流动，将能量传递给相变材料，能量从内外两侧向相变材料传递，加快了相变材料的相变速度。

图3所示为树肋-孔网络相变储能装置的径向二维截面示意图，如图所示，主肋结构4均匀焊接在传热流体中间管道2的外壁面上，呈树状分叉结构；孔网络结构5设在主肋结构4中，从树状主肋上延伸出细脉相互联结形成细脉孔网络结构。在细脉孔网络中存在众多矩形空腔，空腔沿径向以辐射状向外延伸，形成类似蛛网的多孔结构。树状主肋的设置能够优化能量从传热流体通过传热流体内管道到相变材料6的热流通道，细脉孔网络的设置能够消除树状主肋肋片间的低导热率区域，从而有效的提高相变发生的效率。保温外壳1中保持真空状态，能够有效地减少储能装置中的热量耗散。

图4所示为侧面环状管道平铺展开内部示意图，其内布置紊流柱12，能够增加传热流体7在侧面环状管道3中的紊流度，从而增强传热流体7和相变材料6之间的热传导。

图5所示为树肋-孔网络结构的树状主肋的生成过程示意图，该结构由矩形金属肋片焊接而成，呈N(N≥2，N为整数)级树状分叉结构，每一级分叉点都均匀分布在与内管同心的圆周上，即不同主肋结构的N级肋片和N+1级肋片的连接点处于同一圆上。每个N级肋片上焊接两个N+1级肋片(N≥2，N为整数)。各级肋片厚度t_N，t_N＝β^N-1t₁，N为肋片级数(N≥2，N为整数)，β为常数，且β>0，t₁为一级肋片41的厚度，各级肋片的长度L_N＝γ^N-1L₁，N为肋片级数(N≥2，N为整数)，γ为常数，且γ>0，L₁为一级肋片41的长度。树状主肋能够优化能量从传热流体到相变材料的能量流通通道，并通过树状分叉结构有效的提高相变材料内部的均温性，提高相变材料的相变效率。

图6和图7所示为不同参数下生成的树状主肋的对比示意图。

模拟案例

简介：采用焓-多孔介质方法对本发明树肋-孔网络相变储能装置的储能过程进行了模拟，同时也模拟了相同工况下具有树状肋和具有多孔肋片的储能装置的储能过程，对各个时间点三种不同结构储能体内部液相率随时间变化曲线进行对比，分析树肋-孔网络结构的热流通道，以验证本发明的可靠性。

几何模型

所述的树肋相变储能装置的二维截面图如图1所示，中心管道3管径为500mm，保温外壳1管径3000mm。六个主肋结构4均匀焊接于中心管道3外壁面上，肋片沿着径向生长。为了使得树状肋片的每一级分叉点都均匀分布在与内管同心的圆周上，对各层次分叉结构的分叉角进行了适当的调整。

如图8，树状的主肋结构4的长度按照以下公式L_N＝γ^N-1L₁生成，其中N为肋片级数(N≥2，N为整数)，L_N是第N级树状肋片的长度，L₁是一级肋片41的长度，γ取1.3。树状肋片的宽度按照以下公式t_N＝β^N-1t₁生成，其中N为肋片级数(N≥2，N为整数)，t_N是第N级树状肋片的宽度，t₁是一级肋片41的宽度，β取2。

如图9，树肋-孔网络相变储能装置的二维截面示意图，其内肋片由主肋结构4和孔网络结构5构成。其中，树状的主肋结构4生成方法与所述的树肋相变储能装置的肋片生成方法相同，结构类似；具体的说，孔网络结构5由径向导热片和周向导热片组成，孔网大小可通过改变高效导热片数目进行调节。

如图10，具有多孔肋片的相变储能结构的二维截面示意图，其径向布置14片肋片，周向布置13层肋片，相互联结形成网状结构。通过调整各级肋片和细脉厚度的方法，保证了三种结构的储能装置的固体骨架的面积相同，因此，三种装置中的相变材料的体积是相同的，具有同样的最大能量储存能力。

数学模型

为简化模拟过程，本文针对相变储能装置的截面建立了二维模型。为了简化储能介质在储能装置中的融化过程，在模拟过程中进行了以下假设:

(1)储能装置外壳和其内金属肋片以是各向同性的并且其热导率为常数。

(2)相变材料充满储能装置的内部。

(3)当相变材料是固相或者液相时具有各向同性且其热物性稳定为常数。

对于图9所示的储能装置，在储能过程中发生伴有融化的非稳态热传导过程。利用焓-多孔介质方法，对伴有融化过程的热传导进行理论建模，其控制方程：

该公式中h表示焓；T表示热力学温度；k表示导热率；τ表示时间，ρ表示密度；此公式在储能装置骨架和储能介质中都适用。

对于储能装置中相变材料发生的凝固过程，焓-多孔介质方法引入了液相率来表征控制单元体内相变材料中液相所占的份额，其表达式为

式中，T表示温度，T_l和T_s分别表示固相线温度和液相线温度。

对于相变材料，式(1)中的焓h为

式中，Lp表示相变材料的相变潜热，c表示比热容，下标p表示相变材料，T表示温度，β表示液相率，T_l和T_s分别表示固相线温度和液相线温度，本文中相变材料固相线温度为318K，液相线温度为318.15K。

由于受到到树肋结构复杂性和计算负荷较大的限制，采用二维的简化模型进行模拟，储能装置的二维简化计算模型及其边界条件，具体内容如下：

外管壁边界为绝热边界；内管壁为定温边界条件，温度为20摄氏度，在初始状态下，相变区域为液态流体，初始温度设置为80摄氏度，相变材料选用月桂酸。

模拟结果分析

图11给出了三种模型的液相率随时间变化的曲线。横坐标τ表示时间，单位是秒(s)。纵坐标F表示液相率。由图可以看出随着时间增大，储能体内部液相率不断增加，一段时间后，在同一时刻下，具有树状-孔网络结构的储能体液相率更高，传热量更高，由此可知：具有树状-孔网络结构的储能装置具有更高的相变换热效率。究其原因，可能是由于树状-孔网络结构肋片优化了热量的流通通道，从而增强了相变换热的效率。

图12给出了三种结构中相变材料的固液界面的对比图，第一排是结构模型，第二排和第三排是对应结构模型的数值模拟结果，其中第二排为100秒(s)，第三排为300秒(s)，我们可以更加直观的看出树肋-孔网络结构的储能装置具有更高的相变储能效率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种树肋-孔网络相变储能装置，其特征在于：包括封闭的保温外壳（1），中心管道（2），环状管道（3），主肋结构（4），孔网络结构（5），相变材料（6），传热流体（7）；

所述保温外壳（1）为空心的圆柱结构，保温外壳（1）的上端中心位置设有中间管道出口（10），下端中心位置设有中间管道入口（8）；

所述中心管道（2）位于保温外壳（1）中心，其两端分别对接中间管道出口（10）和中间管道入口（8）；

所述中心管道（2）的外壁面上布置有若干个主肋结构（4），该主肋结构（4）由若干纵向布置的矩形金属肋片配置而成，主肋结构（4）的横截面为树杈形状；

所述主肋结构（4）的树杈形状内以及相邻两个主肋结构（4）之间设置有孔网络结构（5），该孔网络结构（5）采用导热金属制成，孔网络结构（5）的横截面为网状；

所述主肋结构（4）与孔网络结构（5）之间的空隙内填充有相变材料（6）；主肋结构（4）、孔网络结构（5）和相变材料（6）组成为树肋孔网络导热体，树肋孔网络导热体的侧壁与保温外壳（1）内侧壁之间具有间隙，间隙为环状管道（3）；

所述保温外壳（1）侧壁的靠下位置设置有侧面环状管道入口（9），保温外壳（1）侧壁的靠上位置设置有侧面环状管道出口（11），所述中心管道（2）和环状管道（3）内为传热流体（7）。

2.根据权利要求1所述的一种树肋-孔网络相变储能装置，其特征在于：所述主肋结构（4）的树杈形状，包括一级肋片（41）、二级肋片（42）和三级肋片（43），一级肋片（41）的一端焊接于中心管道（2）上，另一端焊接有两个二级肋片（42），每个二级肋片（42）上焊接有两个三级肋片（43）。

3.根据权利要求2所述的一种树肋-孔网络相变储能装置，其特征在于：每个主肋结构（4）中的一级肋片（41）和二级肋片（42）的连接点均处于同一圆上；每个主肋结构（4）中的二级肋片（42）和三级肋片（43）的连接点均处于同一圆上。

4.根据权利要求1或3所述的一种树肋-孔网络相变储能装置，其特征在于：孔网络结构（5）由径向导热片和周向导热片组成，其横截面为多孔网状。

5.根据权利要求1所述的一种树肋-孔网络相变储能装置，其特征在于：所述保温外壳（1）的壳壁为双层结构，双层结构内为真空状态。

6.根据权利要求1所述的一种树肋-孔网络相变储能装置，其特征在于：所述的环状管道（3）中布置有径向方向的紊流柱（12），紊流柱（12）位于树肋孔网络导热体上或保温外壳（1）内壁上。

7.根据权利要求3所述的一种树肋-孔网络相变储能装置，其特征在于：所述主肋结构（4）的金属肋片厚度为t _N ，t _N =β ^N-1 t ₁，β为常数，N为肋片级数，N≥2，N为整数，且β>0，t ₁为一级肋片的厚度，一级肋片（41）、二级肋片（42）和三级肋片（43）的长度均为L _N ，L _N =γ ^N-1 L ₁，γ为常数，N为肋片级数，N≥2，N为整数，且γ>0，L ₁为一级肋片的长度。