CN110375439A - 内电热相变储能波纹管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内电热相变储能波纹管，包括密封的外套管，外套管内填充有相变材料，外套管内轴向的连通有电热导线，电热导线的两端可与电源实现电连接，外套管内套接有电热导线固定件；电热导线固定件的长度沿外套管轴向延伸，截面形状为若干翅片连接构成的树枝状或蜂窝状，最外侧的翅片的端部与外套管的内侧壁搭接或固定，截面中部设有C形的电热导线固定槽，电热导线适配的卡接在电热导线固定槽中。本发明的有益效果是：具备结构紧凑的优势，可将能量转换与传热过程极大压缩，便于生产、包装、运输与组装，可组合设计为各种型式和规格的谷电相变储能装置，对相变储能产业有很好的推广意义。

Description

内电热相变储能波纹管

技术领域

本发明涉及储能领域，具体是一种内电热相变储能波纹管。

背景技术

在电力系统的用电端，电力的使用具有显著的峰谷效应，而在发电端，虽然可以根据用电负荷调节发电量，但是这种调节的响应速度很慢，调节的成本也很高。为了保证发电的效率和电力系统的稳定运行，有必要在谷电时段提供大量的电能存储手段，以实现削峰填谷、平衡发电量和用电量的效果。从电力用户的角度看，由于谷电的价格仅为峰电的1/2至1/4，使用电能存储设备将低价的谷电存储起来，在用电高峰时释放使用，也具有显著的经济意义。使用相变储能设备来存储电力是电能存储的一种手段。中国专利文献CN109340867A于2019年2月15日公开了“一种基于相变蓄热装置的谷电储能系统”，包括热源子系统、热泵子系统、储能子系统及用户子系统，包括用于实现蓄热和放热的相变蓄热装置。热源子系统可利用污水源和地下深层土壤的热量，实现取热；热泵子系统在夜间谷电价格期间运行，实现制热；储能子系统将热量分配到各个相变蓄热装置，实现蓄热；用户子系统利用相变蓄热装置对室内进行放热，实现供热；相变蓄热装置包括换热结构、外筒体和筒盖，外筒体内填充相变材料，换热结构由若干排毛细管网组成，毛细管网能够在相变蓄热装置的水平截面上形成多个热量传递源，缩短换热结构与相变材料的距离，进而提升相变蓄热装置的蓄热和放热速度。在该类传统技术方案中，是直接将相变材料堆积在密闭不渗漏的容器之中，并在相变材料之中置入大量换热盘管。然后用载热介质，一般为热空气或热水，通过对流、传导和辐射将热量传递与储存于相变材料之中。而热空气和热水，是需要有热空气与热水的电锅炉或如上述热泵来制备的。这样就会使由电能转换为相变潜热储能的系统复杂，流程长，用的设备和器件多，最后导致了能量转换效率较低，一次投资较高的问题，制约了谷电相变储能技术的应用与推广。

发明内容

基于以上问题，本发明提供一种内电热相变储能波纹管，具备结构紧凑的优势，可将能量转换与传热过程极大压缩，便于生产、包装、运输与组装，可组合设计为各种型式和规格的谷电相变储能装置。

为了实现发明目的，本发明采用如下技术方案：一种内电热相变储能波纹管，包括密封的外套管，外套管内填充有相变材料，外套管内轴向的连通有电热导线，电热导线的两端可与电源实现电连接，外套管内套接有电热导线固定件；电热导线固定件的长度沿外套管轴向延伸，截面形状为若干翅片连接构成的树枝状或蜂窝状，最外侧的翅片的端部与外套管的内侧壁搭接或固定，截面中部设有C形的电热导线固定槽，电热导线适配的卡接在电热导线固定槽中。

本方案设计的内电热相变储能波纹管，选用了一个外套管用来填充相变材料。为了避免相变材料的逸出，因此外套管是密封的。通常外套管选择圆管，两端以端盖密封。外套管内轴向的连通有电热导线，电热导线的材质和型号有很多种，由本领域技术人员根据设计要求自行决定。电热导线的两端可以与电源实现电连接，从而实现通电时发热，以对相变材料进行加温，进而诱发相变。电热导线固定件在长度上沿外套管的轴向延伸，一般可采用型材，其截面的中央设置有电热导线固定槽，用来与电热导线适配的卡接，周围是若干翅片，翅片可彼此连接成树枝状或蜂窝状，最外侧的翅片的端部与外套管的内侧壁搭接或固定，以保证外套管在径向上有足够的强度，更重要的是将电热导线始终保持在外套管的中央，使电热导线对整个外套管内的相变材料能均衡加热，避免局部温度差异较大、相变不均匀的现象出现。采用本技术方案，通电后的电热导线即刻升温，对外套管内的相变材料形成加温，并触发相变以实现储能效果。在应用中，一般可以将本装置作为储能元件，以若干个本装置配合其它必要的零部件和控制装置组成大型的储能设备使用。

作为优选，所述电热导线固定件的材质为良好导热材质。电热导线固定件是浸没在相变材料中的，可以利用其良好的导热性质将电热导线的热量传导至外套管的径向外侧，从而提高热传导效率，加速相变发生。

作为优选，最外侧的翅片的厚度为端部厚本体薄，最外侧各翅片的端部位于同一圆周上，该圆周与所在位置的外套管管壁的圆周重合。最外侧的翅片的端部是与外套管管壁搭接或固定连接的，因此该圆周与所在位置的外套管管壁的圆周重合。同时，为了避免翅片的端部对外套管管壁的冲击，本方案将最外侧的翅片的厚度进行了单独设计，端部厚本体薄，使其端部与外套管管壁的接触面积显著增加，从而减小两者相抵时的压强。

作为优选，外套管内设呼吸胶囊；呼吸胶囊为中空的密封结构，外侧壁为弹性件；呼吸胶囊与呼吸管的内侧端开口连接，呼吸管的外侧端开口于外套管外。由于相变材料在温度升降的时候会产生体积上的膨胀收缩，导致外套管被破坏，因此本方案在外套管内预设了一个呼吸胶囊，呼吸胶囊是一个可膨胀收缩的弹性的中空囊体，囊体通过呼吸管连通至外套管的外侧，使呼吸胶囊内的气压与外界相同。也可在呼吸管的外侧开口与另一个气压可变空间连接，例如弹性气囊，以平衡外套管内外压差。当外套管内的相变材料因升温而膨胀时，内部压力变大，就会将呼吸胶囊内的部分气体通过呼吸管挤压至外套管外，反之则会将部分气体吸入外套管内，这样一来就可以很好的适应相变材料的体积变化的问题。呼吸胶囊的大小由本领域技术人员按照相变材料体积变化的需要设置。相变材料的选择也有多种，由本领域技术人员根据设计要求、成本、效果等因素综合考虑选择。

作为优选，外套管为波纹管。波纹管拥有较大的表面积，因此适合热传导。波纹管的材质优选使用金属材质。在实际应用中，如所用相变材料对金属有腐蚀影响，可在金属管内壁进行覆膜处理，或者也可牺牲部分导热性能，换用塑料波纹管。

作为优选，外套管外抱夹有至少2个抱箍；抱箍的截面形状为U形，宽度为波纹管波纹宽度的整数倍；抱箍的宽度方向的两端均设有向圆心方向凸起的夹持筋，夹持筋的端部与对应位置的波纹管的波谷之间紧配合的垫设有细径O型圈。为了便于安装，外套管要通过至少2个抱箍的抱夹，从而实现固定。由于外套管是波纹管，而抱箍为了保持足够的抱夹力，必然是选择刚性较大的材质，因此抱箍可能对波纹管的外侧壁形成压迫破坏。为了解决这个问题，本方案设计的抱箍，宽度是波纹管波纹宽度（一般是相邻的两波谷间的距离）的整数倍，而抱箍的；抱箍的宽度方向的两端均设有向圆心方向凸起的夹持筋，两夹持筋之间的距离正好可以适配波纹管上相应的两波谷的距离，而夹持筋与相应位置的波谷之间，以细径O型圈进行铺垫填充，从而降低压强，避免损坏波纹管。抱箍的紧固方式可以有很多种，本领域技术人员可以按需选择。

作为优选，外套管轴向两端以端盖密封固定；端盖的内侧端沿轴向延伸设有环形的插接定位壁，插接定位壁的外侧壁与波纹管端部的内侧壁紧配合；端盖的外侧壁沿周向环绕设有下凹的端盖定位凹槽，当端盖固定在波纹管端部时，端盖定位凹槽与波纹管端部外侧壁最外端的波谷的距离与波纹管波纹自身固有的波纹宽度相等。端盖的内侧端沿轴向延伸设有环形的插接定位壁，用来紧配合的插接在波纹管端部。为了保持良好的密封，端盖可采用稍具弹性的材质，例如PP，采用过盈配合以保证密封。进一步的，端盖的外侧壁沿周向环绕设有下凹的端盖定位凹槽，当端盖密封后，该定位凹槽和波纹管的波谷具有相同的作用，可以与抱箍配合形成紧固结构，从而将端盖在波纹管的轴向和径向上都实现完全的固定，确保对波纹管的密封效果，消除可能的窜动。在使用了端盖后，电热导线和呼吸管均可从端盖上的孔中穿出。

作为优选，抱箍的两端通过棘齿形卡扣副实现互卡定位。棘齿形卡扣副的两部件上各有一个位置相对设置的棘齿，可通过棘齿的咬合实现卡接紧固，其优点在于对抱箍整体均匀受力，不会因为对某一位置施加较大的压力而导致波纹管局部被压馈。

作为优选，棘齿形卡扣副的两卡扣上沿外套管的轴向设有销孔；U形双轴销设有平行的两个固定销，两固定销的一端之间刚性连接；固定销的主体各自适配的插接在所述两销孔中，暴露在销孔外侧的固定销另一端设有弯折限位结构。U形双轴销整体为U形，设有两个平行的固定销，两个固定销之间为刚性连接。为了防止抱箍两端的卡接松脱，本方案提供了一个保险机制，在棘齿形卡扣副扣合之后，再以U形双轴销的两个固定轴各自穿过一个卡扣上的销孔，穿过后将暴露在外的固定销进行弯折，以彻底杜绝固定销脱出销孔、U形双轴销保险失效的可能。

作为优选，位于同一抱箍的两夹持筋之间的波纹管的波谷与抱箍的内侧壁之间紧配合的垫设有粗径O型圈。粗径O型圈垫设在抱箍内侧壁与波纹管相应位置的波谷之间，也可以避免抱箍的夹持力损坏波纹管。

作为优选，电热导线为碳纤维发热线。碳纤维是一种新型的高性能纤维增强材料，具有高强度，高模量，耐高温，耐磨，抗疲劳，耐腐蚀，抗蠕变，导电和导热等诸多优异性能。使用碳纤维发热线作为电热导线，具有升温迅速、电热转换效率高，节省电能、抗拉强度高、断线不起弧、重量轻、化学性能稳定、使用寿命长等优点。

作为优选，电热导线的两端设有快插接头。快插接头可以帮助电热导线实现快速电连接。如有必要，快插接头外部还可以用热缩管封闭，以提高安全性。

综上所述，本发明的有益效果是：具备结构紧凑的优势，可将能量转换与传热过程极大压缩，便于生产、包装、运输与组装，可组合设计为各种型式和规格的谷电相变储能装置，对相变储能产业有很好的推广意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是图2的C向视角的示意图。

图4是图1中B部放大图。

其中：1外套管，2相变材料，3电热导线，4呼吸胶囊，5呼吸管，6电热导线固定件，7抱箍，8细径O型圈，9粗径O型圈，11端盖，31快插接头，61电热导线固定槽，71夹持筋，72棘齿形卡扣副，73 U形双轴销，111插接定位壁，112端盖定位凹槽，721销孔，731固定销。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1、图2所示，实施例为一种内电热相变储能波纹管。本内电热相变储能波纹管设有一个外套管1，本例的外套管为塑料的波纹管。波纹管两端以端盖11封闭。波纹管内套接有电热导线固定件6，本例的电热导线固定件为具有良好导热效果的铝型材。电热导线固定件的长度沿外套管轴向延伸，其截面中心设有一个C形的电热导线固定槽61，外侧依120°夹角设有三叉的翅片，翅片的端部又连接两个翅片，形成外侧的三叉形，使整个截面形状形成树枝形，位于外侧一圈的6个翅片的端部比中部本体部分厚，且该6个外侧翅片的端部位于同一圆周上，该圆周与所在位置的外套管波纹管管壁的圆周重合。在电热导线固定槽内适配的卡接有电热导线3，本例的电热导线为碳纤维发热线，两端穿过端盖，伸出于外套管外，端部设置有快插接头31，可通过快插接头快速连接电源。快插接头处以热缩管封闭以提高防水性。在外套管内还设有一个呼吸胶囊4，呼吸胶囊是长条形的密封体，外侧壁为具弹性的塑胶材质。呼吸胶囊与呼吸管5的内侧端开口连接，呼吸管通过宝塔接头穿过端盖，外侧端开口于外套管外。外套管内充盈的灌注相变材料，本例的相变材料在85℃时会产生相变。灌注完毕后，端盖与波纹管之间以过盈配合加粘合密封，电热导线与呼吸管穿过端盖的地方也以相应的密封胶封闭所有缝隙，确保外套管可靠密封。

本内电热相变储能波纹管外还需要相应的固定结构。如图4所示，外套管的两端各抱夹有一个抱箍7。抱箍的截面形状为U形，宽度为波纹管波纹宽度的2倍；抱箍的宽度方向的两端均设有向圆心方向凸起的夹持筋71，夹持筋的端部与对应位置的波纹管的波谷之间紧配合的垫设有细径O型圈8。本例中，端盖的内侧端沿轴向延伸设有环形的插接定位壁111，端盖通过插接定位壁和波纹管内侧壁之间的过盈配合而紧紧的插接在波纹管端部，再以密封胶固封。端盖的外侧壁沿周向环绕设有下凹的端盖定位凹槽112，端盖定位凹槽与波纹管端部外侧壁最外端的波谷的距离与波纹管波纹自身固有的波纹宽度相等。本例中的抱箍，外侧端的夹持筋夹持在端盖定位凹槽中，内侧的夹持筋夹持在波纹管相应位置的波谷中。位于同一抱箍的两夹持筋之间的波纹管的波谷与抱箍的内侧壁之间紧配合的垫设有粗径O型圈9，粗径O型圈的直径大于细径O型圈的直径，位于中部的波谷内，两细径O型圈位于两端的端盖定位凹槽及波谷内，三者配合形成缓冲，对抱箍的夹持力构成缓冲。

如图2、图3所示，抱箍的的两端通过棘齿形卡扣副72实现互卡定位。棘齿形卡扣副的两卡扣上各有一个位置相对设置的棘齿，可通过棘齿的咬合实现对波纹管的卡接紧固。棘齿形卡扣副的两卡扣上沿外套管的轴向设有销孔721。U形双轴销73整体为U形，设有两个平行的固定销731，两个固定销之间为刚性连接。固定销的主体各自适配的插接在所述两销孔中，暴露在销孔外侧的固定销另一端弯折后形成限位结构，以杜绝固定销从销孔中松脱。

本例的内电热相变储能波纹管，通常被当作储热原件，安装在大型的储热设备中。在通电时，碳纤维发热线发热，不但加热线周围的相变材料，还通过电热导线固定件将热量尽量均匀的传导至外套管内各处的相变材料，使相变材料升温。直至到达相变温度，并发生相变。在升温过程中，相变材料体积膨胀，外套管内压力增加，呼吸胶囊内的部分气体被挤压出外套管，始终保持外套管内总体积不变。当处于相变放热状态时，相变材料相应的降温而体积变小，外套管内压力降低，呼吸胶囊又会通过呼吸管将外界的空气吸入，以保持外套管内总体积不变。

Claims (10)

1.一种内电热相变储能波纹管，包括密封的外套管（1），外套管内填充有相变材料（2），外套管内轴向的连通有电热导线（3），电热导线的两端可与电源实现电连接，其特征是，外套管内套接有电热导线固定件（6）；电热导线固定件的长度沿外套管轴向延伸，截面形状为若干翅片连接构成的树枝状或蜂窝状，最外侧的翅片的端部与外套管的内侧壁搭接或固定，截面中部设有C形的电热导线固定槽（61），电热导线适配的卡接在电热导线固定槽中。

2.根据权利要求1所述的一种内电热相变储能波纹管，其特征是，所述电热导线固定件的材质为良好导热材质。

3.根据权利要求2所述的一种内电热相变储能波纹管，其特征是，最外侧的翅片的厚度为端部厚本体薄，最外侧各翅片的端部位于同一圆周上，该圆周与所在位置的外套管管壁的圆周重合。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种内电热相变储能波纹管，其特征是，外套管内设呼吸胶囊（4）；呼吸胶囊为中空的密封结构，外侧壁为弹性件；呼吸胶囊与呼吸管（5）的内侧端开口连接，呼吸管的外侧端开口于外套管外。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种内电热相变储能波纹管，其特征是，外套管为波纹管。

6.根据权利要求5所述的一种内电热相变储能波纹管，其特征是，外套管外抱夹有至少2个抱箍（7）；抱箍的截面形状为U形，宽度为波纹管波纹宽度的整数倍；抱箍的宽度方向的两端均设有向圆心方向凸起的夹持筋（71），夹持筋的端部与对应位置的波纹管的波谷之间紧配合的垫设有细径O型圈（8）。

7.根据权利要求6所述的一种内电热相变储能波纹管，其特征是，外套管轴向两端以端盖（11）密封固定；端盖的内侧端沿轴向延伸设有环形的插接定位壁（111），插接定位壁的外侧壁与波纹管端部的内侧壁紧配合；端盖的外侧壁沿周向环绕设有下凹的端盖定位凹槽（112），当端盖固定在波纹管端部时，端盖定位凹槽与波纹管端部外侧壁最外端的波谷的距离与波纹管波纹自身固有的波纹宽度相等。

8.根据权利要求6所述的一种内电热相变储能波纹管，其特征是，抱箍的两端通过棘齿形卡扣副（72）实现互卡定位。

9.根据权利要求8所述的一种内电热相变储能波纹管，其特征是，棘齿形卡扣副的两卡扣上沿外套管的轴向设有销孔（721）；U形双轴销（73）设有平行的两个固定销（731），两固定销的一端之间刚性连接；固定销的主体各自适配的插接在所述两销孔中，暴露在销孔外侧的固定销另一端设有弯折限位结构。

10.根据权利要求6所述的一种内电热相变储能波纹管，其特征是，位于同一抱箍的两夹持筋之间的波纹管的波谷与抱箍的内侧壁之间紧配合的垫设有粗径O型圈（9）。