CN110285701A - 渐变格栅相变蓄热器 - Google Patents

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李钰冰
邓瑞英
刘文华
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Abstract

本发明涉及一种渐变格栅相变蓄热器，换热管道置于相变蓄热外壳内，且相变蓄热外壳与换热管道连接成一体，位于相变蓄热外壳内的所述换热管道外壁上设有渐变格栅式换热面，渐变格栅式换热面与相变蓄热外壳之间的空间中设有相变材料，由渐变格栅式换热面实现相变材料和换热流体通道的热量传递。本发明采用格栅式换热面，不仅增加了换热面积，而且格栅式凹槽增加了换热时间；采用宽度渐变格栅式换热面，避免了热流体入口段过热现象的发生。换热管道的长度与相变蓄热材料的相变温度成反比，有效提高相变材料蓄热能力。本发明可以实现流体与相变蓄热材料快速响应，强化换热效果，解决相变蓄热材料温度分层问题。

Description

渐变格栅相变蓄热器
技术领域
本发明涉及一种蓄热器，尤其是一种相变式蓄热器。
背景技术
相变式蓄热器作为一种新型的储能装置，主要应用于余热的存储和利用。具有蓄热密度大，工作温度稳定，其运行机理简单，即利用相变材料PCM固液相变的过程来实现能量的储存和释放。但是蓄热相变蓄热器普遍存在蓄热量少、蓄放热速度慢、蓄热器内温度严重分层和局部过热等技术问题，产生的温度不均将影响蓄热器的使用寿命。专利公告号CN105115339A公布了一种快速响应相变蓄热器，该发明专利所描述的一种相变蓄热器是套在水管管路段的外壁上，通过热水流经相变材料时，相变材料将一部分热量吸收作为相变热储存，在需要使用少量热水时将其能量释放出来。该发明专利可以存储热水热量，但是存储量很小，而且没有解决蓄热器内温度分层和局部过热问题的问题，所以难以推广；同时无任何的强化换热的设计，吸收热水中的热量效率低下。专利公告号CN104864757A公布了一种圆柱式结构渐变翅片相变蓄热器，该发明专利所描述的是圆柱式结构渐变翅片相变蓄热器，利用相变材料配合换热流体可以设计出与换热温度匹配较好的相变蓄热器。间距渐变翅片可以减少热流体入口段相变材料的过热，增加热流体出口段相变材料的熔化，改善相变材料整体蓄热效果和避免了相变蓄热材料温度分层。虽然翅片直接与相变材料接触，但是翅片从换热管处得到的导热量太少，并没有明显增加相变材料蓄热量。并且增加的翅片导致了换热热阻的增大，热量损失增加，所以总的来说相变蓄热器效果差。
现有的相变蓄热器通过增加管道与相变换热面积的方式来增加换热量，但是仅仅增大管道与相变材料面积是不足以明显增大换热效果。有的相变蓄热器容易造成热流体入口段热量过于集中，相变材料温度较高。而随着热流体流动温度降低，热流体与相变蓄热材料温差逐渐减小，导致在热流体出口段相变材料蓄热量小，相变蓄热材料温度较低，从而形成了相变蓄热材料局部过热和温度分层现象，从而影响相变蓄热材料和相变蓄热器的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是解决相变蓄热器响应慢，蓄热量少，相变材料温度不均问题，而提供一种渐变格栅相变蓄热器，采用渐变格栅换热面增大换热流体与相变材料的接触面积，同时格栅结构破坏了换热管道壁面的边界层，从而强化了换热流体与换热管道壁面的换热，提高相变材料的导热速度和换热量；本发明的另一个目的是解决相变蓄热器中的相变材料容易出现温度分布不均，造成局部过热和蓄热容器热应力过高的现象，通过合理的渐变格栅间隔设计及时导出热量，提高相变蓄热材料的温度均匀性。
本发明的技术方案为：一种渐变格栅相变蓄热器，包括相变蓄热器外壳、换热管道，所述换热管道置于相变蓄热外壳内，且变蓄热外壳与换热管道连接成一体，位于相变蓄热外壳内的所述换热管道外壁上设有渐变格栅式换热面，渐变格栅式换热面与相变蓄热外壳之间的空间中设有相变材料，由渐变格栅式换热面实现相变材料和换热流体通道的热量传递。
进一步，所述渐变格栅式换热面由多个沿换热管道外壁间隔分布的不同宽度的格栅式凹槽构成，多个格栅式凹槽的宽度从换热流体通道进口至出口逐渐变小，使靠近热流体出口段的格栅凹槽的宽度最小。
进一步，所述相变材相变蓄热器外壳内设有保温层。
进一步，所述相变材料为固态的相变材料。
进一步，所述换热管道的长度与相变蓄热材料的相变温度成反比。
进一步，熔化蓄热过程，高温的换热流体通过渐变格栅相变蓄热器左端面进入到换热流体通道中，高温的换热流体从换热流体通道通过渐变格栅式换热面传递给低温的相变材料，低温的相变材料熔化并储蓄热量，沿高温换热流体流动方向，高温换热流体与低温相变材料的换热温差不断减小，最终换热流体由换热流体通道右端面流出，完成一个蓄热过程。
进一步，凝固放热过程，低温的换热流体通过渐变格栅相变蓄热器右端面进入换热流体通道中，由于渐变格栅式换热面的扰动，换热流体以涡的方式在格栅中强制换热，高温的相变材料中储蓄的热量通过渐变格栅式换热面以热传导的方式传递给换热流体通道中的低温换热流体，相变材料凝固放热，换热后的流体通过换热流体通道左端面流出蓄热器。
本发明的有益效果是：
1.本发明提出的渐变格栅相变蓄热器，采用格栅式换热面，不仅增加了换热面积，而且格栅式凹槽增加了换热时间；
2.本发明提出的渐变格栅相变蓄热器，采用宽度渐变格栅式换热面，避免了热流体入口段过热现象的发生。
3.本发明提出的渐变格栅相变蓄热器，换热管道的长度与相变蓄热材料的相变温度成反比，有效提高相变材料蓄热能力。
4.本发明可以实现流体与相变蓄热材料快速响应，强化换热效果，解决相变蓄热材料温度分层问题。
附图说明
图1是本发明的渐变格栅相变蓄热器的剖视图；
图2是本发明的渐变格栅相变蓄热器的三维剖视图；
图3是渐变格栅结构示意图；
图中：1、相变蓄热器外壳，2、保温层，3、相变材料，4、渐变格栅式换热面，5、换热流体通道。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，一种渐变格栅相变蓄热器，包括：相变蓄热器外壳1、保温层2、相变材料3、渐变格栅式换热面4、换热流体通道5。相变蓄热外壳1内置有换热管道5，且相变蓄热外壳1与换热管道5之间采用无缝连接。位于相变蓄热外壳1内的换热管道5外壁上设有渐变格栅式换热面4，渐变格栅式换热面4与相变蓄热外壳1之间的空间中设有相变材料3，相变蓄热器外壳1内设有保温层2。相变材料3为固态的相变材料。
渐变格栅式换热面4由多个沿换热管道5外壁间隔分布的不同宽度的格栅式凹槽构成，多个格栅式凹槽的宽度从换热流体通道5进口至出口逐渐变小。靠近热流体出口段的格栅凹槽的宽度最小。由渐变格栅式换热面4实现了相变材料3和换热流体通道5的热量传递。格栅形状可以为方形或其他不同形状，其纵向深度和横向宽度可渐变。
熔化蓄热过程，高温的换热流体通过渐变格栅相变蓄热器左端面进入到换热流体通道5中。热量从换热流体通道5通过渐变格栅式换热面4传递给低温的相变材料3，低温的固态相变材料3熔化并储蓄热量。沿高温换热流体流动方向，高温换热流体与低温相变材料3的换热温差不断减小，为提高蓄热器整体换热效果，格栅宽度沿换热流体流动方向不断减小。最终换热流体由换热流体通道右端面的换热流体通道5流出，完成一个蓄热过程。
凝固放热过程，低温的换热流体通过渐变格栅相变蓄热器右端面进入换热流体通道5中。由于渐变格栅式换热面4的扰动，换热流体以涡的方式在格栅中强制换热，高温的相变材料3中储蓄的热量通过渐变格栅式换热面4以热传导的方式传递给换热流体通道5中的低温换热流体，相变材料3凝固放热，换热后的流体通过换热流体通道5左端面流出蓄热器。
本发明将相变蓄热器中的换热器管道换热面设计成渐变格栅式换热面，增强换热效果，改善相变蓄热材料温度分层现象。
本发明的渐变格栅相变蓄热器大大增加了换热流体管道与流体、流体与蓄热材料的接触面积，可以达到强化换热的目的。
本发明的渐变格栅蓄热器采用的相变材料与换热流体接触面积随换热流体流动方向逐渐增大的设计，可实现热量的快速传递，提高了相变蓄热材料的温度均匀性，有效避免了过热现象的发生。
本发明的渐变格栅蓄热器采用的相变蓄热材料的相变温度随换热流体流动方向逐渐降低的设计，提高了相变蓄热材料的蓄热能力，避免了相变材料温度分层现象。
本发明的渐变格栅蓄热器的格栅凹槽可以增加换热流体在凹槽内停留时间，使得强制换热更加充分，相变蓄热量增加，相变蓄热效率提高。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，但本发明的保护范围并不局限于此，对于本领域，的熟悉的技术人员来说，本发明可以有各种的更改和变化，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种渐变格栅相变蓄热器，包括相变蓄热器外壳、换热管道，其特征在于：所述换热管道置于相变蓄热外壳内，且变蓄热外壳与换热管道连接成一体，位于相变蓄热外壳内的所述换热管道外壁上设有渐变格栅式换热面，渐变格栅式换热面与相变蓄热外壳之间的空间中设有相变材料，由渐变格栅式换热面实现相变材料和换热流体通道的热量传递。
2.根据权利要求1所述的渐变格栅相变蓄热器，其特征在于：所述渐变格栅式换热面由多个沿换热管道外壁间隔分布的不同宽度的格栅式凹槽构成，多个格栅式凹槽的宽度从换热流体通道进口至出口逐渐变小，使靠近热流体出口段的格栅凹槽的宽度最小。
3.根据权利要求1所述的渐变格栅相变蓄热器，其特征在于：所述相变材料为固态的相变材料。
4.根据权利要求1所述的渐变格栅相变蓄热器，其特征在于：所述相变材相变蓄热器外壳内设有保温层。
5.根据权利要求1所述的渐变格栅相变蓄热器，其特征在于：所述换热管道的长度与相变蓄热材料的相变温度成反比。
6.根据权利要求1所述的渐变格栅相变蓄热器，其特征在于：熔化蓄热过程，高温的换热流体通过渐变格栅相变蓄热器左端面进入到换热流体通道中，高温的换热流体从换热流体通道通过渐变格栅式换热面传递给低温的相变材料，低温的相变材料熔化并储蓄热量，沿高温换热流体流动方向，高温换热流体与低温相变材料的换热温差不断减小，最终换热流体由换热流体通道右端面流出，完成一个蓄热过程。
7.根据权利要求1所述的渐变格栅相变蓄热器，其特征在于：凝固放热过程，低温的换热流体通过渐变格栅相变蓄热器右端面进入换热流体通道中，由于渐变格栅式换热面的扰动，换热流体以涡的方式在格栅中强制换热，高温的相变材料中储蓄的热量通过渐变格栅式换热面以热传导的方式传递给换热流体通道中的低温换热流体，相变材料凝固放热，换热后的流体通过换热流体通道左端面流出，完成一个放热过程。
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