CN110360865A - 一种翅片式组合相变材料蓄热球 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种翅片式组合相变材料蓄热球，蓄热球为球体状，其外部为能导热的外壳，外壳内部填充相变材料；蓄热球内部嵌套至少1层同心的球体状的能导热的内壳，内壳将蓄热球内部分成相互隔离的相变区域，每个相变区域内填充不同的相变材料；里层的相变区域填充的相变材料的相变温度小于外层相变区域填充的相变材料的相变温度；内壳与外壳之间或内壳与内壳之间通过导热金属制成的翅片固定连接；所述翅片支撑内壳使内壳与外壳同心分布；与现有单一相变材料球形相变单元相比，翅片式组合相变材料球形相变单元的蓄热速率明显提高，且翅片的重合式布置使组合相变材料球形相变单元蓄热性能更高。

Description

一种翅片式组合相变材料蓄热球
技术领域
本发明涉及一种蓄热装置，特别涉及一种翅片式组合相变材料蓄热球。
背景技术
相变蓄热是一种以相变储能材料为基础的高新储能技术。主要分为热化学储热、显热储热和相变储热；热化学储热虽然蓄热密度大，但不安全且蓄热过程不可控，严重影响其推广应用。显热储热是目前应用最广的一种储热方式，然而它的储热密度小。相比之下，相变储热的储热密度是显热储热的5~10倍甚至更高。由于具有温度恒定和蓄热密度大的优点，相变蓄热技术得到了广泛的研究，尤其适用于热量供给不连续或供给与需求不协调的工况下。相变储热系统作为解决能源供应时间与空间矛盾的有效手段，是提高能源利用率的重要途径之一。相变储热可以分为固–液相变、液–气相变和固–气相变。然而，其中只有固–液相变具有比较大的实际应用价值。蓄热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，可用于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。
现有的相变材料导热系数低，严重制约了蓄热效率的提升。除了在材料内添加高导热率材料以及结构上添加翅片外，在蓄热系统中应用组合相变材料为另一种有效的强化传热技术。
王建峰在“理想均匀等速相变传热机理之研究”文章中应用“理想均匀等速相变”概念导出了描述一维理想均匀等速相变传热过程的有关表达式。结果表明，与传统恒温相变传热相比，对于球体单元，理想均匀等速相变时间可以减少60%。后来又建立了包含三种不同相变材料的柱状相变单元储热系统的测试装置,测试结果表明,与单一相变材料的柱状储热单元相比,系统储热放热速率可以提高15%～25%。杨磊在化工学报中发表了名为“多熔点相变材料堆积蓄热床蓄热性能分析”一文，文中中对采用多种不同熔点相变材料构成的堆积蓄热床进行了数值分析，得出采用多熔点相变材料构成的堆积蓄热床能够显著地缩短蓄热时间，改进蓄热性能。于丹在建筑科学杂志中发表了名为“组合式相变材料储热换热器的特性实验研究”一文；文章中论述了一套由HR-35、月桂酸和HR-50这3种相变材料组合而成的储热换热器，对其性能进行了测试和有关数据的采集,测试结果表明,与单一相变材料的储热单元换热器相比,组合式相变材料的储热换热器的储热速率有一定的提高。
上述研究表明，采用组合式相变材料可以提升蓄热装置的的蓄热性能；发明人在此基础上研究出一种翅片式组合相变材料蓄热球，并建立了翅片式组合相变材料蓄热球的物理模型，采用fluent数值模拟的方法对不同翅片的布置方式的组合式相变材料球型蓄热单元进行储热性能分析，并将其和单一相变材料球形蓄热单元进行比较；结果表明，与单一相变材料球形相变单元相比，翅片式组合相变材料球形相变单元的蓄热速率明显提高，且翅片的重合式布置使组合相变材料球形相变单元蓄热性能更高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种翅片式组合相变材料蓄热球，与现有单一相变材料球形相变单元相比，翅片式组合相变材料球形相变单元的蓄热速率明显提高，且翅片的重合式布置使组合相变材料球形相变单元蓄热性能更高。
本发明采用的技术方案如下：一种翅片式组合相变材料蓄热球,蓄热球为球体状，其外部为能导热的外壳，外壳内部填充相变材料；其特征是，蓄热球内部嵌套至少1层同心的球体状的能导热的内壳，内壳将蓄热球内部分成相互隔离的相变区域，每个相变区域内填充不同的相变材料；里层的相变区域填充的相变材料的相变温度小于外层相变区域填充的相变材料的相变温度；内壳与外壳之间或内壳与内壳之间通过导热金属制成的翅片固定连接；所述翅片支撑内壳使内壳与外壳同心分布。
进一步，所述的相变材料采用固液相变材料。
进一步，所述的外壳采用不锈钢制成；所述的内壳采用不锈钢制成；所述的翅片采用铜片。
进一步，蓄热球内部嵌套2层同心的球体状的内壳，由外向内分别为内壳一、内壳二，内壳一与外壳之间的区域为相变区域一，内壳一与内壳二之间的区域为相变区域二，内壳二内的区域为相变区域三，相变区域一内填充相变材料一，相变区域二内填充相变材料二，相变区域三内填充相变材料三。
进一步，上述相变材料一采用，相变材料二采用，相变材料三采用切片石蜡。
进一步，所述翅片设置有多个，在所述封装的外壳内部呈空间三维几何对称分布设置。
进一步，所述翅片分布方式为重合式排布，所述翅片在三个方向上相互垂直，内壳一与外壳之间的翅片与内壳一与内壳二之间的翅片在同一直线上。
进一步，所述翅片分布方式为交错式排布，内壳一与外壳之间的翅片与内壳一与内壳二之间的翅片不在同一直线上。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种翅片式组合相变材料蓄热球，并建立了翅片式组合相变材料蓄热球的物理模型，采用fluent数值模拟的方法对有无翅片以及翅片的布置方式的组合式相变材料球型蓄热单元进行储热性能分析，并将其和单一相变材料球形蓄热单元进行比较；结果表明，与单一相变材料球形相变单元相比，翅片式组合相变材料球形相变单元的蓄热速率明显提高，且翅片的重合式布置使组合相变材料球形相变单元蓄热性能更高。
附图说明
图1为重合式翅片组合蓄热球的立体结构示意图。
图2为重合式翅片组合蓄热球的前视图。
图3为交错式翅片组合蓄热球的立体结构示意图。
图4为交错式翅片组合蓄热球的前视图。
图5为实验组1重合式翅片组合蓄热球的几何模型规格尺寸图。
图6为实验组1生成的液相率随时间变化的曲线图。
图7为实验组1在t=3000s时的温度云图。
图8为实验组2交错式翅片组合蓄热球的几何模型规格尺寸图。
图9为实验组2生成的液相率随时间变化的曲线图。
图10为实验组2在t=3000s时的温度云图。
图11为对照组3单一无翅片蓄热球几何模型规格尺寸图。
图12为对照组3生成的液相率随时间变化的曲线图。
图中：外壳1，内壳一2，内壳二3，相变区域一4，相变区域二5，相变区域三6，翅片7。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图和对比实验对本发明作进一步的详细介绍，以下所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量；由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通；对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种翅片式组合相变材料蓄热球,蓄热球为球体状，其外部为能导热的外壳1，外壳1内部填充相变材料；蓄热球内部嵌套至少1层同心的球体状的能导热的内壳，内壳将蓄热球内部分成相互隔离的相变区域，每个相变区域内填充不同的相变材料；里层的相变区域填充的相变材料的相变温度小于外层相变区域填充的相变材料的相变温度；内壳与外壳1之间或内壳与内壳之间通过导热金属制成的翅片7固定连接；所述翅片7支撑内壳使内壳与外壳1同心分布。
具体地，上述的相变材料采用固液相变材料。
具体地，上述的外壳1采用不锈钢制成；所述的内壳采用不锈钢制成；所述的翅片7采用铜片。
进一步，上述蓄热球的其中一种的结构为：蓄热球内部嵌套2层同心的球体状的内壳，由外向内分别为内壳一2、内壳二3，内壳一2与外壳1之间的区域为相变区域一4，内壳一2与内壳二3之间的区域为相变区域二5，内壳二3内的区域为相变区域三6，相变区域一4内填充相变材料一，相变区域二5内填充相变材料二，相变区域三6内填充相变材料三。
具体地，上述相变材料一采用，相变材料二采用，相变材料三采用切片石蜡。
进一步，上述蓄热球中翅片7设置有多个，在所述封装的外壳1内部呈空间三维几何对称分布设置。
具体地，上述蓄热球中所述的翅片7分布方式为重合式排布，其结构如图1、2所示，所述翅片7在三个方向上相互垂直，内壳一2与外壳1之间的翅片与内壳一2与内壳二3之间的翅片在同一直线上。
上述蓄热球中翅片7的另一种分布方式为：所述翅片7分布方式为交错式排布，其结构如图3、4所示，内壳一2与外壳1之间的翅片与内壳一2与内壳二3之间的翅片不在同一直线上。
对比实验：采用数值模拟仿真实验进行对比，包括实验组1、实验组2和对照组3。
实验组1为重合式翅片组合蓄热球
应用前处理软件ICEM CFD建立如图5所示的几何模型，设置区域、边界，并对其进行网格划分，生成mesh文件；将网格文件导入FLUENT流体计算软件中，开启2D分离式非稳态求解器；检查网格单元质量，使用scare设置模型长度单位为mm；加载能量方程和Solidification/Melting模型；根据表1输入相变材料参数；不考虑重力的影响，设置边界条件，将球的壁面设为wall（固壁）边界，设置壁面的温度为363K，压力速度耦合项选择SIMPLE算法，松弛因子采用默认值。最后对球初温进行初始化，初始温度均匀且为303K，在后处理Report中导出实验数据；应用Orogin软件将实验数据生成液相率随时间变化的曲线如图6所示；用CFD-Post后处理软件生成不同时刻蓄热球温度云图，如图7所示为t=3000s时的温度云图。
表1实验组1、2输入相变材料参数
。
实验组2为交错式翅片组合蓄热球
应用前处理软件ICEM CFD建立如图8所示的几何模型，设置区域、边界，并对其进行网格划分，生成mesh文件；将网格文件导入FLUENT流体计算软件中，开启2D分离式非稳态求解器；检查网格单元质量，使用scare设置模型长度单位为mm；加载能量方程和Solidification/Melting模型；根据表1输入相变材料参数；不考虑重力的影响，设置边界条件，将球的壁面设为wall（固壁）边界，设置壁面的温度为363K，压力速度耦合项选择SIMPLE算法，松弛因子采用默认值。最后对球初温进行初始化，初始温度均匀且为303K，在后处理Report中导出实验数据；应用Orogin软件将实验数据生成液相率随时间变化的曲线如图9所示；用CFD-Post后处理软件生成不同时刻蓄热球温度云图，如图10所示为t=3000s时的温度云图。
对照组3为单一无翅片蓄热球
应用前处理软件ICEM CFD建立如图11所示的几何模型，设置区域、边界，并对其进行网格划分，生成mesh文件；将网格文件导入FLUENT流体计算软件中，开启2D分离式非稳态求解器；检查网格单元质量，使用scare设置模型长度单位为mm；加载能量方程和Solidification/Melting模型；根据表2输入相变材料参数；不考虑重力的影响，设置边界条件，将球的壁面设为wall（固壁）边界，设置壁面的温度为363K，压力速度耦合项选择SIMPLE算法，松弛因子采用默认值。最后对球初温进行初始化，初始温度均匀且为303K，在后处理Report中导出实验数据；应用Orogin软件将实验数据生成液相率随时间变化的曲线如图12所示。
表2对照组3输入相变材料参数
。
结论与分析
由图6、9、12对比可知，单一无翅片蓄热球相变完成用时20000s；重合式翅片组合蓄热球相变完成用时7000s，相对于单一无翅片蓄热球，蓄热效率提高了65%；交错式翅片组合蓄热球相变完成用时8500s，相对于单一无翅片蓄热球，蓄热效率提高了57.5%。
由图6可知，重合式翅片组合蓄热球蓄热一段时间后，PCM2和PCM3相变速率相对变快，这是由于翅片导热系数大的作用，热媒体的温度较快向球心方向传递，使得球内各个区域平均温度很快升高，这一点可以从7中看出。与PCM2和PCM3比较，在2500s前，PCM1相变程度相对较高，由于PCM2和PCM3相变速率较快的缘故，在2500s后，PCM3相变程度高于PCM1的相变程度，在6000s后，PCM2与PCM3液相率相等，几乎同时完成相变，其中PCM3最先完成相变。这是因为PCM1距离热源最近，与热媒体换热面积大，在蓄热初期相变程度较高，由于PCM1质量较大，相变温差相对较低的缘故，使得相变速率较低。
由图9可知，与重合式翅片组合蓄热球相比，交错式翅片组合蓄热球内相变速率较慢，由图7和图10可知，这是因为交错式的翅片布置，使得热媒体温度向球心的传递速度较慢，使得球内各个区域平均温度升高较慢，影响了蓄热球的蓄热效率。
从数值分析结果可以得出，不同相变材料的合理选用及分布能够有效增加相变过程中的平均换热温差，进而提升蓄热性能，翅片的合理布置，能够更大促进热媒体与相变材料之间的温度的传递，从而增加蓄热效率。
结论
仿真结果表明，与传统单一无翅片蓄热球相比，由、和切片石蜡组合的翅片组合蓄热球的蓄热速率有了一定的提高，且重合式翅片组合蓄热球蓄热性能更优。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行和修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (8)

1.一种翅片式组合相变材料蓄热球,蓄热球为球体状，其外部为能导热的外壳，外壳内部填充相变材料；其特征是，蓄热球内部嵌套至少1层同心的球体状的能导热的内壳，内壳将蓄热球内部分成相互隔离的相变区域，每个相变区域内填充不同的相变材料；里层的相变区域填充的相变材料的相变温度小于外层相变区域填充的相变材料的相变温度；内壳与外壳之间或内壳与内壳之间通过导热金属制成的翅片固定连接；所述翅片支撑内壳使内壳与外壳同心分布。
2.根据权利要求1所述的翅片式组合相变材料蓄热球，其特征在于：所述的相变材料采用固液相变材料。
3.根据权利要求2所述的翅片式组合相变材料蓄热球，其特征在于：所述的外壳采用不锈钢制成；所述的内壳采用不锈钢制成；所述的翅片采用铜片。
4.根据权利要求3所述的翅片式组合相变材料蓄热球，其特征在于：蓄热球内部嵌套2层同心的球体状的内壳，由外向内分别为内壳一、内壳二，内壳一与外壳之间的区域为相变区域一，内壳一与内壳二之间的区域为相变区域二，内壳二内的区域为相变区域三，相变区域一内填充相变材料一，相变区域二内填充相变材料二，相变区域三内填充相变材料三。
5.根据权利要求4所述的翅片式组合相变材料蓄热球，其特征在于：所述的相变材料一采用，相变材料二采用，相变材料三采用切片石蜡。
6.根据权利要求5所述的翅片式组合相变材料蓄热球，其特征在于：所述翅片设置有多个，在所述封装的外壳内部呈空间三维几何对称分布设置。
7.根据权利要求6所述的翅片式组合相变材料蓄热球，其特征在于：所述翅片分布方式为重合式排布，所述翅片在三个方向上相互垂直，内壳一与外壳之间的翅片与内壳一与内壳二之间的翅片在同一直线上。
8.根据权利要求6所述的翅片式组合相变材料蓄热球，其特征在于：所述翅片分布方式为交错式排布，内壳一与外壳之间的翅片与内壳一与内壳二之间的翅片不在同一直线上。
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