CN110375565A - 基于复合有机相变材料的相变换热器及用途 - Google Patents

基于复合有机相变材料的相变换热器及用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于复合有机相变材料的相变换热器及用途，用以解决现有技术中换热器效率不高、相变材料单一的问题。所述相变换热器采用复合有机相变材料，将所述有机相变材料封装在小管和大管的空隙间，在小管中通过流体，从而通过套管的方式实现复合有机相变材料在热交换中的相变，完成热量的转移，在热量的间歇性储存和释放中实现对工业余热的回收和再利用。本发明采用复合有机相变材料作为换热介质，使得换热器的结构大大简化，只需要使用法兰进行封闭即可；同时在温度变化很小的情况下储存大量的热能，实现储能设备与换热设备的兼容；另外，具有高的换热效率，可适用于多种不同的场合，成本低廉，具有更好的大规模生产前景。

Description

基于复合有机相变材料的相变换热器及用途
技术领域
本发明属于能源回收及再利用领域，具体涉及一种基于复合有机相变材料的相变换热器及用途。
背景技术
材料、能源和信息是社会发展的三大支柱。其中，能源是驱动社会发展的动力基础。随着社会的发展，人口的膨胀，对能源的需求愈来愈大，而地球上所储存的能源及每天从外界输入的能源是有限的。为了维持社会的可持续发展，需要对能源进行开源节流，不仅需要积极开发新能源，同时也需要对浪费的能源进行节约和回收再利用。例如，在能源的使用中，工业上对能源的要求标准比较高，工业余热就成为一种可以回收再利用的能源。
相变换热器是一种可以有效利用工业余热的换热设备，不仅可以实现节能效果，并且可以解决热能供给和需求上存在的时间和空间上不匹配的问题。相变换热器中的相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。以固-液相变为例，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，熔化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热；当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。在这两种相变过程中，通过相变潜热实现能量的储存和释放。同时，当物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。
现有技术中，通常采用单一的有机物相变材料作为相变换热器的相变材料，但是单一的有机物相变材料温度平台较窄，相变潜热局限大，换热效率存在上限，不利于换热效率的提高，同时，单一有机物相变材料的相变温度限制了换热器的应用范围，普适性不强。
发明内容
为了提高相变换热器的换热效率，提高能源的回收再利用效果，本发明提供了一种基于复合有机相变材料的相变换热器及用途，既能有效克服单一的有机物相变储热材料换热效率低的缺点，又可以改善相变材料的应用效果、拓展应用范围。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
本发明实施例提供了一种基于复合有机相变材料的相变换热器，所述相变换热器至少包括：第一段大管、第二段大管、第三段大管、第四段大管、第一小管及复合有机相变材料；其中，
所述第一小管呈侧放的W型，用于通过携带余热的流体；
所述第一段大管、第二段大管、第三段大管和第四段大管套在第一小管的W型的四个平直段；
所述复合有机复合材料封装于第一段大管、第二段大管、第三段大管、第四段大管分别与第一小管形成的空隙内。
上述方案中，所述相变换热器还包括：三个第二小管和支撑梁；其中，
所述三个第二小管分别连接于第一段大管和第二段大管相靠近的端部、第二段大管和第三段大管相靠近的端部、第三段大管和第四段大管相靠近的端部，用于连接并支撑相连接的两段大管；
所述支撑梁至少为两根，且相互平行，两根支撑梁同时与第一段大管、第二段大管、第三段大管、第四段大管相交并固定连接，用于支撑整个相变换热器的稳定及安装。
上述方案中，所述复合有机相变材料为62#切片石蜡-硬脂酸按比例为3:7混合的相变材料混合物。
上述方案中，所述相变材料混合物中加入预定比例的强化导热性能的材料。
上述方案中，所述预定比例的强化导热性能的材料为预定比例为25％的石墨。
上述方案中，所述第一小管中携带余热的流体为中低温度余热介质，且流动方向为由下到上。
上述方案中，所述第二小管与第一段大管、第二段大管、第三段大管和第四段大管的连接处，采用法兰连接。
上述方案中，所述第一小管和第二小管的直径为φ89×2，四段大管的直径均为φ168×3；所述小管和大管的材质均为不锈钢。
本发明实施例还提供了一种基于权利要求1-7的相变换热器的用途，所述相变换热器用于间歇性储存工业余热。
本发明实施例又提供了一种基于权利要求1-7的相变换热器的用途，所述相变换器用于连续性供暖。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例基于复合有机相变材料的相变换热器及用途，将所述有机相变材料封装在小管和大管的空隙间，在小管中通过流体，从而通过套管的方式实现复合有机相变材料在热交换中的相变，完成热量的转移，在热量的间歇性储存和释放中实现对工业余热的回收和再利用。本发明采用复合有机相变材料作为换热介质，使得换热器的结构大大简化，只需要使用法兰进行封闭即可；同时在温度变化很小的情况下储存大量的热能，实现储能设备与换热设备的兼容；另外，具有高的换热效率，可适用于多种不同的场合，成本低廉，具有更好的大规模生产前景。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例基于复合有机相变材料的相变换热器主视图；
图2为本发明实施例基于复合有机相变材料的相变换热器左视图；
图3为本发明实施例基于复合有机相变材料的相变换热器右视图；
图4为本发明实施例基于复合有机相变材料的相变换热器俯视图；
图5为本发明实施例基于复合有机相变材料的相变换热器侧视图；
图6为本发明实施例相变换热器使用示例系统结构示意图。
附图标记说明：
(1)-第一段大管；
(2)-第二段大管；
(3)-第三段大管；
(4)-第四段大管；
(5)-第一小管；
(6，7，8)-第二小管；
(9)-复合有机相变材料出口；
(10)-复合有机相变材料入口；
(11，12)-支撑梁。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例中涉及到的尺寸说明部分，单位均为mm。
第一实施例
本实施例提供了一种基于复合有机相变材料的相变换热器，图1所示为所述基于复合有机相变材料的相变换热器结构示意图。如图1所示，本实施例所述相变换热器包括：第一段大管(1)、第二段大管(2)、第三段大管(3)、第四段大管(4)、第一小管(5)、第二小管(6，7，8)、支撑梁(11，12)及复合有机相变材料。
其中，所述第一小管(5)呈侧放的W型，用于通过携带余热的流体；优选地，所述携带余热的流体为中低温度余热介质，例如，水、烟气等。优选地，所述流体的流动方向为由下到上。优选地，所述第一小管(5)的直径为φ89×2mm，采用304不锈钢管。
所述第一段大管(1)、第二段大管(2)、第三段大管(3)和第四段大管(4)套在第一小管(5)的W型的四个平直段。优选地，所述四段大管直径均为φ168×3，采用304不锈钢管。
所述复合有机复合材料封装于第一段大管(1)、第二段大管(2)、第三段大管(3)、第四段大管(4)分别与第一小管(5)的空隙内；由此构成套管式相变换热器。
第二小管(6)连接于第一段大管(1)和第二段大管(2)相靠近的端部，第二小管(7)连接于第二段大管(2)和第三段大管(3)相靠近的端部，第二小管(8)连接于第三段大管(3)和第四段大管(4)相靠近的端部，用于连接并支撑相连接的两段大管。优选地，所述第二小管(6，7，8)直径为φ89×2，采用304不锈钢管。优选地，所述连接处采用法兰连接。最优选地，所述法兰为DN80法兰，半径为R204.5。
支撑梁(11)和支撑梁(12)相互平行，两根支撑梁同时与第一段大管(1)、第二段大管(2)、第三段大管(3)、第四段大管(4)相交并固定连接，用于支撑整个相变换热器的稳定及安装。优选地，所述支撑梁的材料为钢，且每台支撑梁直径为100mm，两台支撑梁之间相距600mm。
进一步地，所述复合有机相变材料为62#切片石蜡-硬脂酸按比例为3:7混合的相变材料混合物。优选地，所述混合物中还可以加入预定比例的强化导热性能的材料，例如，石墨。最优选地，所述添加预定比例为25％的石墨。
进一步地，所述小管两个端口接口设置法兰，作为进出管接口。优选地，所述法兰为DN80法兰，半径为R204.5。
进一步地，所述大管、小管及支撑梁外配有保温层，例如，橡塑保温层。
所述相变换热器的其他连接处，均为法兰连接；所述复合有机相变材料的封装处也采用法兰进行封装。
第二实施例
本实施例基于第一实施例的复合有机相变材料的相变换热器，提供了一种所述相变换热器的用途。
所述相变换热器用于储热和供热两种工况。具体为，所述相变换热器用于间歇性工业余热的回收，和/或，所述相变换热器用于连续性供暖。
图2所示为本实施例的相变换热器的使用示例系统结构示意图。如图2所示，所述相变换热器与外部储热系统相连，或打开储热环路中的阀门，关闭供热环路中的阀门，形成储热系统。所述储热系统至少包括：恒温水箱、进口温度计、出口温度计、阀门、流量计、水泵，还可以包括过滤器或除污器。当进行储热时，恒温水箱保持在预定的温度，例如，80℃。这里的预定温度根据相变换热器中复合有机相变材料的性质及实际需要确定。恒温水箱可以通过电加热棒持续加热获得水温的恒定。热水在储热系统水泵的作用下，进入相变换热器中的第一小管(5)中进行循环，此时热水的温度高于相变换热器中的复合有机相变材料的温度，热水在循环的过程中在本实施例所述相变换热器中与复合有机相变材料进行热量交换，将热量储存到相变材料中，直至使得相变材料融化。当进口温度计与出口温度计的读数相等且不再变化时，储能系统中相变材料储热达到最大热量。
当进行工业余热回收时，将相变换热器的进管与工业热循环系统中的余热回收或排放部分相连接，将相变换热器的出管与工业热循环系统中的进管相连，即构成所述储能系统，工业余热可完成相变换热器的储能工况。
如图2所示，所述相变换热器与外部供热系统相连，或找开供热环路中的阀门，关闭储热环路中的阀门，则形成供热系统。所述供热系统至少包括：进口温度计、出口温度计、阀门、流量计、散热器、水泵，还可以包括过滤器或除污器。当进行供热时，在供热系统水泵的作用下，散热器回水进入换热器，散热器回的水温比复合有机相变材料的凝固点低，此时相变材料放热开始发生凝固，把储存的热量放给散热器的回水，加热回水升温，散热器的热量可以用来室内的供暖，从而形成一个供暖系统的循环向室内供暖。
需要说明的是，以上为本发明的一个实施例，在具体实现时，也可以采用V型或多个W型相结合的结构方式，相应增加大管的段数即可。同时，本发明的相变换热器可应用于需要换热的任意场合，不仅局限于工业余热的回收再利用，也不局限于用来供暖。
由以上技术方案可以看出，本发明实施例基于复合有机相变材料的相变换热器及用途，通过采用复合有机相变材料，通过套管的方式实现复合有机相变材料在热交换中的相变，从而完成热量的转移，在热量的间歇性储存和释放中实现对工业余热的回收和再利用。本发明采用复合有机相变材料作为换热介质，使得换热器的结构大大简化，只需要使用法兰进行封闭即可；同时复合有机相变材料一般都具备大的比热容，使得换热器在温度变化很小的情况下也可以储存大量的热能，实现储能设备与换热设备的兼容；另外，本发明的相变换热器具有高的换热效率，如中低温回水余热、烟气余热的热量回收，可适用于多种不同的场合，如居民供暖、公共设施供暖等；成本低廉，具有更好的大规模生产前景。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于复合有机相变材料的相变换热器，其特征在于，所述相变换热器至少包括：第一段大管、第二段大管、第三段大管、第四段大管、第一小管及复合有机相变材料；其中，
所述第一小管呈侧放的W型，用于通过携带余热的流体；
所述第一段大管、第二段大管、第三段大管和第四段大管套在第一小管的W型的四个平直段；
所述复合有机复合材料封装于第一段大管、第二段大管、第三段大管、第四段大管分别与第一小管形成的空隙内。
2.根据权利要求1所述的相变换热器，其特征在于，所述相变换热器还包括：三个第二小管和支撑梁；其中，
所述三个第二小管分别连接于第一段大管和第二段大管相靠近的端部、第二段大管和第三段大管相靠近的端部、第三段大管和第四段大管相靠近的端部，用于连接并支撑相连接的两段大管；
所述支撑梁至少为两根，且相互平行，两根支撑梁同时与第一段大管、第二段大管、第三段大管、第四段大管相交并固定连接，用于支撑整个相变换热器的稳定及安装。
3.根据权利要求1或2所述的相变换热器，其特征在于，所述复合有机相变材料为62#切片石蜡-硬脂酸按比例为3:7混合的相变材料混合物。
4.根据权利要求3所述的相变换热器，其特征在于，所述相变材料混合物中加入预定比例的强化导热性能的材料。
5.根据权利要求4所述的相变换热器，其特征在于，所述预定比例的强化导热性能的材料为预定比例为25％的石墨。
6.根据权利要求1或2所述的相变换热器，其特征在于，所述第一小管中携带余热的流体为中低温度余热介质，且流动方向为由下到上。
7.根据权利要求1或2所述的相变换热器，其特征在于，所述第二小管与第一段大管、第二段大管、第三段大管和第四段大管的连接处，采用法兰连接。
8.根据权利要求1或2所述的相变换热器，其特征在于，所述第一小管和第二小管的直径为φ89×2，四段大管的直径均为φ168×3；所述小管和大管的材质均为不锈钢。
9.一种基于权利要求1-7的相变换热器的用途，其特征在于，所述相变换热器用于间歇性储存工业余热。
10.一种基于权利要求1-7的相变换热器的用途，其特征在于，所述相变换器用于连续性供暖。
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