CN110360864A - 一种梯级相变板式蓄热换热一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梯级相变板式蓄热换热一体化装置，包括从上到下为冷流体水平通道层‑相变蓄热层‑热流体水平通道层‑冷流体水平通道层‑相变蓄热层‑热流体水平通道层的基本结构；相变蓄热层、冷流体水平通道层、热流体水平通道层之间通过金属板隔开；多组基本结构上下叠置，通过冷流体管道和热流体管道连接使用。本发明将板式换热器换热速率快和相变蓄热换热器蓄能密度大结合起来，既能实现冷、热流体的直接换热，又能实现冷、热流体通过相变材料间接换热，优化结构设计，促使相变材料层形成自然对流循环，显著提高相变蓄热换热器的换热效率，并能最大限度地利用太阳能光热。

Description

一种梯级相变板式蓄热换热一体化装置

技术领域

本发明涉及蓄热放热设备领域，具体涉及一种梯级相变板式蓄热换热一体化装置。

背景技术

化石能源危机和环境保护迫切要求提高能源的利用效率，大力开发利用可再生绿色新能源。在可再生新能源中，太阳能的利用备受青睐，在太阳能光电应用方面已取得显著成效，但在太阳能光热应用方面几乎仅限于太阳能热水器，在太阳能供暖和太阳能干燥方面的应用刚刚处于起步阶段。对于我国严寒、寒冷、夏热冬冷地区，每年冬季的供暖需要消耗大量能量，如果冬季供暖能够充分利用太阳能热，则会明显降低化石能源消耗，进而减少温室气体和有害气体的排放，降低雾霾的冬季发生率。然而如何将间歇性的太阳能能够连续应用，克服其在时间上和强度上的供需矛盾，相变蓄热换热器起到至关重要的作用。相变蓄热换热器利用相变材料发生相变时吸收或释放大量的热量，实现能量的储存和释放，解决供需矛盾。

目前现有相变蓄热换热器可划分为两类，一类是相变蓄热换热器中冷热流体共用管道，只能交替地蓄热和取热，限制了其应用范围，仅适用于冷热流体为同一种介质且为间歇用热的场所；另一类是冷热流体拥有各自独立的管道，不但能交替地蓄热、取热，还能同时蓄热取热，冷热流体介质即可相同也可不同，对间歇和连续用热的场所都适用。但无论哪一类，由于相变材料的导热系数较低，无论在蓄热方面、取热方面、还是同时蓄热取热方面，换热效率都比较低，大大限制了其推广应用。

目前在提高相变蓄热材料等效导热系数方面，主要包括两方面：一是扩展相变材料的换热面积，例如相变材料的微胶囊化、采用多孔基体等；二是在相变材料中加入高导热性能的物质，例如加入石墨粉、金属丝等等。两者虽然都能在一定程度上提高相变材料的等效导热系数，但前者制造工艺复杂，造价高；后者在使用上容易出现分层现象。

发明内容

本发明要解决的技术问题是相变材料换热效率低，为解决上述问题，本发明提供一种梯级相变板式蓄热换热一体化装置，将板式换热器换热速率快和相变蓄热换热器蓄能密度大结合起来，既能实现冷、热流体的直接换热，又能实现冷、热流体通过相变材料间接换热，优化结构设计，促使相变材料层形成自然对流循环，显著提高相变蓄热换热器的换热效率，并能最大限度地利用太阳能光热。

本发明的目的是以下述方式实现的：

一种梯级相变板式蓄热换热一体化装置，包括相变蓄热层，相变蓄热层上布置冷流体水平通道层，相变蓄热层下布置热流体水平通道层，热流体水平通道层下布置冷流体水平通道层，形成一组从上到下为冷流体水平通道层-相变蓄热层-热流体水平通道层-冷流体水平通道层-相变蓄热层-热流体水平通道层的基本结构；相变蓄热层、冷流体水平通道层、热流体水平通道层之间通过金属板隔开；冷流体水平通道层之间通过冷流体管道连接，热流体水平通道层之间通过热流体管道连接；多组基本结构上下叠置，通过冷流体管道和热流体管道连接使用。

进一步，所述相变蓄热层由多种不同相变温度的相变蓄热材料按照相变温度从上到下在装置内组成梯级相变蓄热层，上层相变蓄热层是相变温度较高的相变蓄热材料，下层相变蓄热层是相变温度较低的相变蓄热材料。

进一步，所述相变蓄热层由多种不同相变温度的相变蓄热材料按照相变温度沿热流体流向水平依次布置组成梯级相变蓄热层，相变蓄热层靠近热流体进口侧是相变温度较高的相变蓄热材料，靠近热流体出口侧是相变温度较低的相变蓄热材料。

进一步，所述相变蓄热层每层采用密封箱单独封装。

进一步，所述相变蓄热层、冷流体水平通道层、热流体水平通道层之间金属板为波纹形金属板；波纹形金属板叠置压紧橡胶密封垫片形成冷流体水平通道层和热流体水平通道层。

进一步，所述相变蓄热层上、下波纹形金属板和冷、热流体水平通道层之间波纹形金属板的四角设有圆孔；热流体垂直通道由金属板圆孔和垫片及相变蓄热层的短管组成，冷流体垂直通道由金属板圆孔和垫片及相变蓄热层的短管组成；冷流体水平通道层上、下波纹形金属板四角圆孔中对应热流体垂直通道位置的圆孔周围设置橡胶密封垫片阻断冷流体水平通道层的冷流体流至热流体垂直通道；热流体水平通道层上、下波纹形金属板四角圆孔中对应冷流体垂直通道位置的圆孔周围设置橡胶密封垫片阻断热流体水平通道层的热流体流至冷流体垂直通道。

进一步，所述热流体水平通道层底层的下面设有下端板，冷流体水平通道层顶层的上面设有上端板，定位导杆穿过上端板和下端板，通过定位导杆两端安装紧固螺栓实现波纹形金属板叠置压紧橡胶密封垫片。

进一步，所述相变蓄热层内部设置有肋片，肋片垂直金属板布置，肋片为矩形薄肋，肋片的一端固定连接金属隔板，另一端距邻近金属隔板的距离与相邻两肋片的距离相等，使相变蓄热层被分隔为“蛇形”。

进一步，所述冷流体水平通道层、热流体水平通道层采用折流板将流体通道分隔成“S”型流道，折流板端部设置为半圆形缺口。

进一步，热流体管道采用上进下出的方式，热流体管道包括从装置一角顶部进入装置的热流体进口管，热流体进口管并联连接上半部分热流体水平通道层，热流体进口管对角位置装配热流体收集分配管，热流体收集分配管与热流体水平通道层并联连接；热流体收集分配管对角位置装配从装置底部伸出的热流体出口管，热流体出口管并联连接下半部分热流体水平通道层，热流体进口管和热流体出口管不直接连通；冷流体管道采用下进上出的方式，冷流体管道包括从装置底部进入装置的冷流体进口管，冷流体进口管并联连接下半部分冷流体水平通道层，在装置内冷流体进口管对角位置装配冷流体收集分配管，冷流体收集分配管与冷流体水平通道层并联连接；在冷流体收集分配管对角装配从装置顶部伸出的冷流体出口管，冷流体进口管和冷流体出口管不直接连通。

进一步，热流体管道包括从装置顶端一角进入装置的热流体进口管和与热流体进口管对角线对称布置从装置底端伸出装置的热流体出口管；冷流体管道包括从装置底端一角进入装置的冷流体进口管和与冷流体进口管对角线对称布置从装置顶端伸出装置的冷流体出口管。

进一步，所述梯级相变板式蓄热换热一体化装置外包围有保温层，保温层外有保护层。

相对于现有技术，本发明将板式换热器换热速率快和相变蓄热换热器蓄能密度大结合起来，实现了板式换热和相变蓄热换热技术的一体化，既能实现冷、热流体的直接换热，又能实现冷、热流体通过相变材料间接换热，减少了热量供需同步时冷、热流体传热的中间环节，提高了传热速率和能源的利用效率；采用相变蓄热层水平布置，相变蓄热层上面紧邻冷流体水平通道层，下面紧邻热流体水平通道层的结构，使相变蓄热层无论是蓄热、取热始终保持下热上冷的状态，促使相变蓄热层依靠密度差形成自然对流循环，从而有效地克服了相变蓄热材料导热系数低的缺陷，大大提高相变蓄热材料的等效导热系数，进而显著提高了相变蓄热换热器的蓄热、放热速率。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图；

图2是本发明实施例一的俯视图示意图；

图3是本发明实施例一的A-A剖面图；

图4是本发明实施例二的结构示意图；

图5是本发明实施例二的俯视图示意图；

图6是本发明实施例二的A-A剖面图；

图7是本发明实施例三的A-A剖面图；

图8是本发明实施例四的结构示意图；

图9是本发明实施例四的波纹形板面及橡胶密封垫片示意图；

图10是本发明实施例四的俯视示意图；

图11是本发明实施例四的A-A剖面图；

图12是本发明实施例五的结构示意图

图13是本发明实施例六的结构示意图

图14是本发明实施例六的俯视图示意图

图15是本发明实施例六的A-A剖面图

具体实施方式

实施例1：

一种梯级相变板式蓄热换热一体化装置，包括相变蓄热层，相变蓄热层上布置冷流体水平通道层，相变蓄热层下布置热流体水平通道层，热流体水平通道层下布置冷流体水平通道层，形成一组从上到下为冷流体水平通道层-相变蓄热层-热流体水平通道层-冷流体水平通道层-相变蓄热层-热流体水平通道层的基本结构；相变蓄热层、冷流体水平通道层、热流体水平通道层之间通过金属板隔开；相变蓄热层包括相变温度较高的相变蓄热层7、相变温度较低的相变蓄热层8，装置上部分为相变温度较高的相变蓄热层7，下部分为相变温度较低的相变蓄热层8，热流体水平通道层包括热流体水平通道层10、热流体水平通道层12、热流体水平通道层14、热流体水平通道层16、热流体水平通道层18、热流体水平通道层20；冷流体水平通道层包括冷流体水平通道层9、冷流体水平通道层11、冷流体水平通道层13、冷流体水平通道层15、冷流体水平通道层17、冷流体水平通道层19；多组基本结构上下叠置，形成从上到下为冷流体水平通道层19-相变温度较高的相变蓄热层7-热流体水平通道层20-冷流体水平通道层17-相变温度较高的相变蓄热层7-热流体水平通道层18-冷流体水平通道层15-相变温度较高的相变蓄热层7-热流体水平通道层16-冷流体水平通道层13-相变温度较低的相变蓄热层8-热流体水平通道层14-冷流体水平通道层11-相变温度较低的相变蓄热层8-热流体水平通道层12-冷流体水平通道层9-相变温度较低的相变蓄热层8-热流体水平通道层10的蓄热、换热结构；相邻的冷流体水平通道层和热流体水平通道层之间共用一块金属板；相变蓄热层与相邻的冷流体水平通道层或热流体水平通道层之间共用一块金属板。

为了增加流体的流动行程，让热量充分储存或释放，加大流体的进出口温度差，提高能量的利用效率，冷流体水平通道层、热流体水平通道层采用折流板23将流体通道分隔成“S”型流道，折流板23端部设置为半圆形缺口。

为了扩展相变材料侧的传热面积，减少相变材料侧的导热热阻，进一步提高相变材料的等效导热系数，相变蓄热层内部设置有肋片24，肋片24垂直金属板布置，肋片24为矩形薄肋，肋片24的一端固定连接金属板，另一端距邻近金属板的距离与相邻两肋片24的距离相等，使相变蓄热层被分隔为“蛇形”。

为了充分利用热流体的热量，热流体采用上进下出的方式，热流体管道包括从装置一角顶部引进热流体的热流体进口管1，热流体进口管1并联连接热流体水平通道层20和热流体水平通道层18和热流体水平通道层16，热流体在装置上部分热流体水平通道层内的“S”型通道内流至装置对角线，流进在装置内热流体进口管1对角布置的热流体收集分配管22，热流体收集分配管22收集热流体配送至下部分热流体水平通道层，即热流体水平通道层14和热流体水平通道层12和热流体水平通道层10，热流体水平通道层14和热流体水平通道层12和热流体水平通道层10连接热流体收集分配管22对角位置的热流体出口管2，热流体在装置下部分热流体水平通道层内的“S”型通道内流至从装置底部伸出的热流体出口管2，热流体进口管1与热流体出口管2不直接连通。

为了将相变蓄热层中热量充分释放给冷流体，冷流体采用下进上出的方式，冷流体管道包括从装置底部引进冷流体的冷流体进口管4，冷流体进口管4连接冷流体水平通道层9和冷流体水平通道层11和冷流体水平通道层13，冷流体在装置下部分冷流体水平通道层内的“S”型通道内流至装置对角线，流进在装置内冷流体进口管4对角布置的冷流体收集分配管21，冷流体收集分配管21收集冷流体配送至上部分冷流体水平通道层，即冷流体水平通道层15和冷流体水平通道层17和冷流体水平通道层19，冷流体水平通道层15和冷流体水平通道层17和冷流体水平通道层19连接冷流体收集分配管21对角位置的冷流体出口管3，冷流体在装置上部分冷流体水平通道层内的“S”型通道内流至从装置顶部伸出的冷流体出口管3，冷流体进口管4与冷流体出口管3不直接连通。

装置外包围有保温层6，保温层6外设有保护层5，避免装置内热量流失。

本发明所述的梯级相变板式蓄热换热一体化装置通过冷、热流体水平通道层的相邻布置，冷、热流体水平通道层之间用一块金属板分开，当热量供需同步时，热量主要通过冷、热流体的直接换热进行传递，由于装置中间部分的冷流体水平通道9、冷流体水平通道11、冷流体水平通道13、冷流体水平通道15、冷流体水平通道17和热流体水平通道12、热流体水平通道14、热流体水平通道16、热流体水平通道18、热流体水平通道20直接相邻，热流体将热量快速地传给冷流体，多余的热量也同时被相变蓄热材料储存起来，减少了现有相变蓄热换热器热量传递必须经过相变材料这一传热薄弱环节，显著提升了相变蓄热换热器的换热效率，同时热流体中多余的热量储存在相变蓄热材料中。

在热量供需不同步，只蓄热时，热流体的热量主要储存在相变蓄热材料中，极少部分储存在冷流体中，板状相变蓄热材料下面的加热速率大于上面的加热速率，相变蓄热材料上面固相部分占的比重大，下面液相部分占的比重大，由于固相密度大于液相密度，在密度差的作用下，将引起相变材料内部的自然对流；只取热时，冷流体获取的热量主要来至相变蓄热材料的释热，极少部分来自热流体，冷流体同时冷却相变材料的上面和热流体的下面，对于热流体而言，将会下冷上热，无自然对流形成，热量传递只能靠导热，相变蓄热材料下面和热流体接触，传热较慢，温度较高，相变蓄热材料的上面通过和冷流体接触，上面先被冷却，相变蓄热材料层上冷下热，上面先凝固，由于固液密度的差异，将引起相变材料层内部的自然对流，大大提高了相变材料的等效导热系数。

由于本发明装置的结构优化设计有利于相变材料的自然对流循环和冷热流体的直接换热，故该装置无论在蓄热、释热和取热时，换热速率都得到显著提高，本发明所述的梯级相变板式蓄热换热一体化装置，采用了两种相变温度的相变材料储存不同温度品质的能量，将热流体的有效热量最大化的储存起来，明显地提高了能源的利用效率。

实施例2：

一种梯级相变板式蓄热换热一体化装置，包括相变蓄热层，相变蓄热层上布置冷流体水平通道层，相变蓄热层下布置热流体水平通道层，热流体水平通道层下布置冷流体水平通道层，形成一组从上到下为冷流体水平通道层-相变蓄热层-热流体水平通道层-冷流体水平通道层-相变蓄热层-热流体水平通道层的基本结构；相变蓄热层、冷流体水平通道层、热流体水平通道层之间通过金属板隔开；相变蓄热层包括相变温度较高的相变蓄热层7、相变温度较低的相变蓄热层8，装置沿热流体流向依次布置相变温度较高的相变蓄热层7、相变温度较低的相变蓄热层8，相变温度较高的相变蓄热层7与相变温度较低的相变蓄热层8之间设有空气夹层的隔板35，以避免不同相变温度的相变蓄热层之间传热；热流体水平通道层包括热流体水平通道层10、热流体水平通道层12、热流体水平通道层14、热流体水平通道层16、热流体水平通道层18、热流体水平通道层20；冷流体水平通道层包括冷流体水平通道层9、冷流体水平通道层11、冷流体水平通道层13、冷流体水平通道层15、冷流体水平通道层17、冷流体水平通道层19；多组基本结构上下叠置，形成从上到下为冷流体水平通道层19-相变蓄热层-热流体水平通道层20-冷流体水平通道层17-相变蓄热层-热流体水平通道层18-冷流体水平通道层15-相变蓄热层-热流体水平通道层16-冷流体水平通道层13-相变蓄热层-热流体水平通道层14-冷流体水平通道层11-相变蓄热层-热流体水平通道层12-冷流体水平通道层9-相变蓄热层-热流体水平通道层10的蓄热、换热结构；相邻的冷流体水平通道层和热流体水平通道层之间共用一块金属板；相变蓄热层与相邻的冷流体水平通道层或热流体水平通道层之间共用一块金属板。

为了增加流体的流动行程，让热量充分储存或释放，加大流体的进出口温度差，提高能量的利用效率，冷流体水平通道层、热流体水平通道层采用折流板23将流体通道分隔成“S”型流道，折流板23端部设置为半圆形缺口。

为了扩展相变材料侧的传热面积，减少相变材料侧的导热热阻，进一步提高相变材料的等效导热系数，相变蓄热层内部设置有肋片24，肋片24垂直金属板布置，肋片24为矩形薄肋，肋片24的一端固定连接金属板，另一端距邻近金属板的距离与相邻两肋片24的距离相等，使相变蓄热层被分隔为“蛇形”。

为了充分利用热流体的热量，热流体采用上进下出的方式，热流体管道包括从装置顶端进入装置的热流体进口管1，热流体进口管1连接热流体水平通道层10、热流体水平通道层12、热流体水平通道层14、热流体水平通道层16、热流体水平通道层18、热流体水平通道层20，热流体流经热流体水平通道层的“S”型通道流至对角布置的热流体出口管2，热流体出口管2连接热流体水平通道层10、热流体水平通道层12、热流体水平通道层14、热流体水平通道层16、热流体水平通道层18、热流体水平通道层20，热流体出口管2从装置底部伸出装置。

为了将相变蓄热层中热量充分释放给冷流体，冷流体采用下进上出的方式，冷流体管道包括从装置底部引进冷流体的冷流体进口管4，冷流体进口管4连接冷流体水平通道层9、冷流体水平通道层11、冷流体水平通道层13、冷流体水平通道层15、冷流体水平通道层17、冷流体水平通道层19，冷流体流经冷流体水平通道层的“S”型通道流至对角布置的冷流体出口管3，冷流体出口管3连接冷流体水平通道层9、冷流体水平通道层11、冷流体水平通道层13、冷流体水平通道层15、冷流体水平通道层17、冷流体水平通道层19，冷流体出口管3从装置顶部伸出装置。

装置外包围有保温层6，保温层6外设有保护层5，避免装置内热量流失。

冷、热流体在流道内呈逆流流动，利于提高冷、热流体之间的热交换效率；热流体在流动过程中，依次将热量储存在相变温度较高、较低的相变材料中，将热流体中有价值的热量尽可能多的储存起来，提高热流体的温降，同理可提高冷流体的温升，进而提高本发明装置的循环热效率；同时在运行过程中保持了相变蓄热材料层的上冷下热，促进相变材料的自然循环，显著提高了相变材料的等效导热系数，同样可提高装置的蓄热、取热、和同时蓄热取热的热交换效率。

实施例3：

实施例3与实施例1比，主要区别在于，将每层相变蓄热材料采用密封箱单独封装，冷、热流体管道不穿过相变蓄热层的密封箱，其他与实施例1一致，更换装置内相变蓄热层可以直接将每层整体封装的相变蓄热层更换，更灵活变更装置的蓄热容量和方便拆装清洗，更便于装置装配使用。

实施例4

一种梯级相变板式蓄热换热一体化装置，包括相变蓄热层，相变蓄热层上布置冷流体水平通道层，相变蓄热层下布置热流体水平通道层，热流体水平通道层下布置冷流体水平通道层，形成一组从上到下为冷流体水平通道层-相变蓄热层-热流体水平通道层-冷流体水平通道层-相变蓄热层-热流体水平通道层的基本结构；相变蓄热层、冷流体水平通道层、热流体水平通道层之间通过金属板隔开；相变蓄热层包括相变温度较高的相变蓄热层7、相变温度较低的相变蓄热层8，装置上部分为相变温度较高的相变蓄热层7，下部分为相变温度较低的相变蓄热层8，热流体水平通道层包括热流体水平通道层10、热流体水平通道层12、热流体水平通道层14、热流体水平通道层16、热流体水平通道层18、热流体水平通道层20；冷流体水平通道层包括冷流体水平通道层9、冷流体水平通道层11、冷流体水平通道层13、冷流体水平通道层15、冷流体水平通道层17、冷流体水平通道层19；多组基本结构上下叠置，形成从上到下为冷流体水平通道层19-相变温度较高的相变蓄热层7-热流体水平通道层20-冷流体水平通道层17-相变温度较高的相变蓄热层7-热流体水平通道层18-冷流体水平通道层15-相变温度较高的相变蓄热层7-热流体水平通道层16-冷流体水平通道层13-相变温度较低的相变蓄热层8-热流体水平通道层14-冷流体水平通道层11-相变温度较低的相变蓄热层8-热流体水平通道层12-冷流体水平通道层9-相变温度较低的相变蓄热层8-热流体水平通道层10的蓄热、换热结构。

为了灵活变更装置的蓄热容量和方便拆装清洗，相变蓄热层每层采用密封箱单独封装，装置中的相变蓄热层层数根据实际情况确定；相变蓄热层密封箱与相邻冷流体水平通道层共用一块金属板，相变蓄热层密封箱与相邻热流体水平通道层共用一块金属板，冷流体通道层与相邻热流体通道层之间共用一块金属板。

相变蓄热层密封箱上、下金属板的外板面上都冲压有波纹32，冷、热流体水平通道层之间的金属板版面上冲压有波纹32，波纹32可以是人字形、平纹、斜纹、锯齿形的一种或多种组合；在相变蓄热层密封箱的上下金属板外板面上冲压波形纹32和分流纹34； 相变蓄热层密封箱的上金属板与波纹形金属板29通过叠置压紧橡胶密封垫片31形成冷流体水平通道层，相变蓄热层密封箱下金属板与波纹形金属板29通过叠置压紧橡胶密封垫片31形成热流体水平通道层，热流体水平通道层上、下金属板之间的距离和冷流体水平通道层上、下金属板之间的距离就是密封垫片31的厚度；流体在流道均匀流动，无滞留区，且能增强流体在流道中的扰动，使冷、热流体在较低的雷诺数下呈现紊流流动，且能较均匀地流过整个金属板面，避免出现流动滞留或死角，提高了流体与板面之间的对流传热系数，进而提高能量的利用效率；垫片31的厚度较薄以致流道较薄，冷、热流体在装置内储量少，装置的蓄能密度高。

（相变蓄热层密封箱上、下金属板和波纹形金属板29的四个边角处设有圆孔；热流体垂直通道由金属板圆孔和垫片31及相变蓄热层的短管33组成，冷流体垂直通道由金属板圆孔和垫片31及相变蓄热层的短管33组成；垫片31包围流体水平通道层的四周以避免流体流出水平通道层；圆孔周围设有密封垫片31时，圆孔与流体水平通道层不相通；冷流体水平通道层与冷流体垂直通道对应位置的圆孔无密封垫片31，冷流体流至该层冷流体水平通道层；冷流体水平通道层与热流体垂直通道对应位置的圆孔周围设有密封垫片31，以避免热流体通过热流体垂直通道进入冷流体水平通道层；热流体水平通道层与热流体垂直通道对应位置的圆孔无密封垫片31，热流体流至该层热流体水平通道层，热流体水平通道层与冷流体垂直通道对应位置的圆孔周围设有密封垫片31，以避免冷流体通过冷流体垂直通道进入热流体水平通道层。

热流体采用上进下出的方式，在装置一角顶部设置热流体进口管1，热流体经进口管1进入并联的热流体水平通道层20和热流体水平通道层18和热流体水平通道层16，热流体经过装置上部分的上、下金属板波纹32叠置形成的通道流至热流体进口管1对角线处的热流体收集分配管22，热流体收集分配管22收集热流体配送至下部分热流体水平通道层，即热流体水平通道层14和热流体水平通道层12和热流体水平通道层10，热流体水平通道层14和热流体水平通道层12和热流体水平通道层10连接热流体收集分配管22对角线位置的热流体出口管2，热流体在装置下部分的上、下金属板波纹32叠置形成的通道流至从装置底部伸出的热流体出口管2，热流体进口管1与热流体出口管2不直接连通；冷流体采用下进上出的方式，在装置另一对角中一角底部引进冷流体进口管4，冷流体经进口管4进入并联的冷流体水平通道层9和冷流体水平通道层11和冷流体水平通道层13，冷流体经过装置下部分的上、下金属板波纹32叠置形成的通道流至冷流体进口管4对角线处的冷流体收集分配管21，冷流体收集分配管21收集冷流体配送至上部分冷流体水平通道层，即冷流体水平通道层15和冷流体水平通道层17和冷流体水平通道层19，冷流体水平通道层15和热流体水平通道层17和热流体水平通道层19连接冷流体收集分配管21对角线位置的热流体出口管3，冷流体在装置上部分的上、下金属板波纹32叠置形成的通道流至从装置顶部伸出的冷流体出口管3，冷流体进口管4与冷流体出口管3不直接连通；冷、热流体在相邻的两个流体通道中逆向流动。

在装置底部的热流体通道层的下面设有下端板26，在装置顶部冷流体通道层的上面设有上端板25，定位导杆28穿过上端板25和下端板26，通过定位导杆28两端安装紧固螺栓27实现波纹形金属板29叠置压紧橡胶密封垫片31，形成冷、热流体水平通道层。

为了强化传热，在相变蓄热层密封箱的上下金属板内板面上设置有肋片24，肋片24垂直金属板布置，肋片24为矩形薄肋，肋片24的一端固定连接金属板，另一端距邻近金属板的距离与相邻两肋片24的距离相等，使相变蓄热层被分隔为“蛇形”，扩展相变材料侧的传热面积，减少相变材料侧的导热热阻，进一步提高相变材料的等效导热系数。

装置外包围有保温层6，保温层6外设有保护层5，避免装置内热量流失。

在运行过程中保持了相变蓄热层的上冷下热的状态，促进相变材料的自然循环，能显著提高相变材料的等效导热系数，同样可提高装置的蓄热、取热、和同时蓄热取热的热交换效率。本发明所述的梯级相变板式蓄热换热一体化装置，采用了不同相变温度的相变材料储存不同温度品质的能量，将热流体的有效热量最大化的储存起来，明显地提高了能源的利用效率。

实施例5：

实施例5与实施例4比，主要区别在于，将梯级相变板式蓄热换热一体化装置整体封装钎焊，流道内部没有橡胶垫片，满足更高温度的热量储存要求，同时使梯级相变板式蓄热换热一体化装置的结构更加紧凑，其他与实施例4一致。

实施例6：

实施例6与实施例4比，主要区别在于，将梯级相变蓄热层沿热流体流向依次布置相变温度较高的相变蓄热层7、相变温度较低的相变蓄热层8，相变温度较高的相变蓄热层7与相变温度较低的相变蓄热层8之间设有空气夹层的隔板35；热流体从装置顶部一角处的热流体进口管1进入并联的热流体水平通道层20和热流体水平通道层18和热流体水平通道层16和热流体水平通道层14和热流体水平通道层12和热流体水平通道层10，热流体经过通道流至热流体进口管1对角线处的热流体出口管2，热流体出口管2由装置底部伸出；冷流体经装置底部的进口管4进入并联的冷流体水平通道层9和冷流体水平通道层11和冷流体水平通道层13和冷流体水平通道层15和冷流体水平通道层17和冷流体水平通道层19，冷流体流经通道至对冷流体进口管4对角线处的冷流体出口管3，冷流体出口管3从装置的顶部的一角伸出；其他与实施例4一致。

需要说明的是，梯级相变蓄热材料可以是两种不同相变温度的相变蓄热材料装配形成相变蓄热层，也可以是多种不同相变温度的相变蓄热材料装配形成相变蓄热层；在低温太阳能热利用的情况下，相变温度较高和较低的相变蓄热材料可以是碳含量不同的石蜡类相变材料，也可以是不同熔点的酯酸类相变材料，亦可以是不同熔点的复合相变材料，亦可以是前述相变材料的不同组合；在高温太阳能热利用的情况下，相变温度较高和较低的相变蓄热材料可以是不同熔点的熔融盐，也可以是不同熔点的结晶水和盐，亦可以是熔融盐和结晶水和盐的组合；相变温度较高和较低的相变蓄热材料的选择以及采用两种还是两种以上相变温度的相变材料需要根据实际的冷热源温度确定。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种梯级相变板式蓄热换热一体化装置，其特征在于：包括相变蓄热层，相变蓄热层上布置冷流体水平通道层，相变蓄热层下布置热流体水平通道层，热流体水平通道层下布置冷流体水平通道层，形成一组从上到下为冷流体水平通道层-相变蓄热层-热流体水平通道层-冷流体水平通道层-相变蓄热层-热流体水平通道层的基本结构；相变蓄热层、冷流体水平通道层、热流体水平通道层之间通过金属板隔开；冷流体水平通道层之间通过冷流体管道连接，热流体水平通道层之间通过热流体管道连接；多组基本结构上下叠置，通过冷流体管道和热流体管道连接使用。

2.根据权利要求1所述的梯级相变板式蓄热换热一体化装置，其特征在于：所述相变蓄热层由多种不同相变温度的相变蓄热材料按照相变温度从上到下在装置内组成梯级相变蓄热层，上层相变蓄热层是相变温度较高的相变蓄热材料，下层相变蓄热层是相变温度较低的相变蓄热材料。

3.根据权利要求1所述的梯级相变板式蓄热换热一体化装置，其特征在于：所述相变蓄热层由多种不同相变温度的相变蓄热材料按照相变温度沿热流体流向水平依次布置组成梯级相变蓄热层，相变蓄热层靠近热流体进口侧是相变温度较高的相变蓄热材料，靠近热流体出口侧是相变温度较低的相变蓄热材料，不同相变蓄热材料之间设有空气夹层隔板。

4.根据权利要求1所述的梯级相变板式蓄热换热一体化装置，其特征在于：所述相变蓄热层每层采用密封箱单独封装。

5.根据权利要求1所述的梯级相变板式蓄热换热一体化装置，其特征在于：所述相变蓄热层、冷流体水平通道层、热流体水平通道层之间金属板为波纹形金属板；波纹形金属板叠置压紧橡胶密封垫片形成冷流体水平通道层和热流体水平通道层。

6.根据权利要求5所述的梯级相变板式蓄热换热一体化装置，其特征在于：所述相变蓄热层上、下波纹形金属板和冷、热流体水平通道层之间波纹形金属板的四角设有圆孔；热流体垂直通道由金属板圆孔和垫片及相变蓄热层的短管组成，冷流体垂直通道由金属板圆孔和垫片及相变蓄热层的短管组成；冷流体水平通道层上、下波纹形金属板四角圆孔中对应热流体垂直通道位置的圆孔周围设置橡胶密封垫片阻断冷流体水平通道层的冷流体流至热流体垂直通道；热流体水平通道层上、下波纹形金属板四角圆孔中对应冷流体垂直通道位置的圆孔周围设置橡胶密封垫片阻断热流体水平通道层的热流体流至冷流体垂直通道。

7.根据权利要求5所述的梯级相变板式蓄热换热一体化装置，其特征在于：所述热流体水平通道层底层的下面设有下端板，冷流体水平通道层顶层的上面设有上端板，定位导杆穿过上端板和下端板，通过定位导杆两端安装紧固螺栓实现波纹形金属板叠置压紧橡胶密封垫片。

8.根据权利要求1至6任一项所述的梯级相变板式蓄热换热一体化装置，其特征在于：所述相变蓄热层内部设置有肋片，肋片垂直金属板布置，肋片为矩形薄肋，肋片的一端固定连接金属板，另一端距邻近金属板的距离与相邻两肋片的距离相等，使相变蓄热层被分隔为“蛇形”。

9.根据权利要求1所述的梯级相变板式蓄热换热一体化装置，其特征在于：所述冷流体水平通道层、热流体水平通道层采用折流板将流体通道分隔成“S”型流道，折流板端部设置为半圆形缺口。

10.根据权利要求1所述的梯级相变板式蓄热换热一体化装置，其特征在于：热流体管道采用上进下出的方式，热流体管道包括从装置一角顶部进入装置的热流体进口管，热流体进口管并联连接上半部分热流体水平通道层，热流体进口管对角位置装配热流体收集分配管，热流体收集分配管与热流体水平通道层并联连接；热流体收集分配管对角位置装配从装置底部伸出的热流体出口管，热流体出口管并联连接下半部分热流体水平通道层，热流体进口管和热流体出口管不直接连通；冷流体管道采用下进上出的方式，冷流体管道包括从装置底部进入装置的冷流体进口管，冷流体进口管并联连接下半部分冷流体水平通道层，在装置内冷流体进口管对角位置装配冷流体收集分配管，冷流体收集分配管与冷流体水平通道层并联连接；在冷流体收集分配管对角装配从装置顶部伸出的冷流体出口管，冷流体进口管和冷流体出口管不直接连通。

11.根据权利要求1所述的梯级相变板式蓄热换热一体化装置，其特征在于：热流体管道包括从装置顶端一角进入装置的热流体进口管和与热流体进口管对角线对称布置从装置底端伸出装置的热流体出口管；冷流体管道包括从装置底端一角进入装置的冷流体进口管和与冷流体进口管对角线对称布置从装置顶端伸出装置的冷流体出口管。

12.根据权利要求1所述的梯级相变板式蓄热换热一体化装置，其特征在于：所述梯级相变板式蓄热换热一体化装置外包围有保温层，保温层外有保护层。