CN110500909A - 一种水平管壳式储能换热器 - Google Patents

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陈希
俞炜
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Abstract

本发明公开了一种水平管壳式储能换热器，包括圆形外套管和从中穿过的热媒管，在热媒管与外套管之间为储能空间，在储能空间填充有相变储能材料，所述热媒管内用于流通热流体，在所述热媒管的圆周方向设置有n个沿热媒管长度方向延伸的肋片，其中，n≥4，n为偶数；其中两个肋片竖直分布于换热器中心线上，其余的(n‑2)个肋片对称分布在中心线两侧，中心线两侧的储能空间被肋片分隔成n/2个扇形区域，n/2个扇形区域的顶角θ从上至下按θn＝θn+1‑φ的规律变化；其中，θn+1代表θn下一个肋片间的夹角，φ代表肋片夹角间的差值。本发明保证热流体的热量更加充分的传递到整个换热面，增强换热流体间的换热特性，提高储能性能。

Description

一种水平管壳式储能换热器
技术领域
本发明涉及一种储能装置，具体是一种水平管壳式储能换热器。
背景技术
相变储能技术因其以相变潜热作为主要的储能方式而具有优异的热管理应用前景，被广泛应用于电力调峰、工业余热回收、太阳能热利用等领域。套管式储能换热器作为一种相变储能装置，具有结构简单、均温性良好、工作适应性好等优点，在热电储能系统、余热回收等领域有着广阔的应用前景。
目前套管式储能换热器储热优化方案主要有强化相变材料导热特性和强化结构导热能力两种思路，从相变材料本身的角度出发主要有微封装、高导热性能材料复合等；从储能换热器结构的角度出发，强化传热的手段还是主要以加装肋片和增强内部扰动为主。这些强化技术能够不同程度上改进腔体内相变材料和热媒管内热流体之间的换热效率，但是在套管式储能换热器的实际应用中，从材料本身的角度进行复合或封装具有不稳定性，易发生储热能力恶化。从结构优化的角度看，相比于在储热腔内部设置复杂结构增强内扰动，在热媒管表面添加肋片的方法不仅工艺简单，对于传热能力的提升也十分明显。对于这里提到的套管式储能换热器，随着热流体相变换热过程的进行，现有的常规均匀肋片分布结构，由于无法很好地平衡熔化区域内对流和导热过程对于熔化速率的影响，整体的均温性不佳，在熔化过程的后期会出现明显的熔化“死区”现象，这都在一定程度上限制了储能换热器的储热能力。因此，传统套管式储能换热器的肋片布置方案并不是实际工作环境下高效储热的最佳解决方案，迫切需要寻求一种新型改进布置方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提出一种增强换热流体间的换热特性，提高储能性能的水平管壳式储能换热器。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
一种水平管壳式储能换热器，包括圆形外套管和从中穿过的热媒管，在热媒管与外套管之间为储能空间，在储能空间填充有相变储能材料，所述热媒管内用于流通热流体，其特征在于：在所述热媒管的圆周方向设置有n个沿热媒管长度方向延伸的肋片，其中，n≥4，n为偶数；其中两个肋片竖直分布于换热器中心线上，其余的(n-2)个肋片对称分布在中心线两侧，中心线两侧的储能空间被肋片分隔成n/2个扇形区域，n/2个扇形区域的顶角θ从上至下按θn＝θn+1-φ的规律变化；其中，θn+1代表θn下一个肋片间的夹角，φ代表肋片夹角间的差值。
φ取值为5×(6-n/2)。
沿热媒管圆周方向肋片的厚度相同；所述热媒管位于圆形外套管的中心位置；储能区间内肋片容积比控制在8％～15％；
所述圆形外套管包括外管壳、前盖板以及后盖板，所述前盖板和后盖板固定在所述外管壳的两端；在所述前盖板上设置有充液孔。
本发明梯度肋片式储能换热器中的肋片的容积占相变腔总容积的8％～15％，考虑到肋片体积占比过小会降低整体的肋效率，过大又会导致储热量减少，经济性降低。通过对所述的梯度肋片进行建模分析，并借助数值模拟的方法计算出梯度夹角肋片能同时保证较高的传热效率和均温性，此时相变腔中被肋片分隔成的n/2个拥有相近的熔化速率的区域，整个相变区域不会出现导热区或对流区其中之一出现熔化“死区”的现象。将均匀肋片模型和梯度夹角肋片进行对比可以确定当同时采用梯度夹角肋片时，传热性能更佳。这种梯度肋片相变腔具有制作工艺简单、布置方便、相变腔内均温性较好的特点，可以使整个热平面的热量更加合理得分配到各个熔化区域，使相变界面移动速度进一步提高。通过数值模拟证明：梯度肋片设计所需要的完全熔化时间更短。
因此，本发明基于熔化传热机理对肋片布置进行优化，设计了一种肋片厚度均匀，两边对称分布且肋片沿从上至下呈梯度夹角变化的相变腔，以达到对热流体热量快速、充分的吸收和存储，使相变腔内的工作介质相变速率提高的目的。
有益效果
本发明储能换热器，沿热媒管表面圆周方向，呈梯度夹角分布的肋片，能够有效平衡储能换热器上下导热区和对流区对于熔化速率的影响，使熔化区的均温性更好；保证热流体的热量更加充分的传递到整个换热面，增强换热流体间的换热特性，提高储能性能。
呈梯度夹角分布的肋片能通过平衡熔化传热过程中对流和导热的比例和温度场分布以达到使熔化区域均温性更好的目的，进而改善相变腔内的整体均熔性。将更多的热量分配给滞熔的区域以提高区域相变熔化过程的均一性，从而起到改善储能效率、提高相变界面的移动速度和减少储能过程进行时间的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单的介绍。
图1为本发明的梯度肋片式储能换热器三维结构示意图。
图2为本发明的梯度肋片式储能换热器实施例1(n＝4)中肋片分布平面示意图。
图3是实施例1具体的肋片夹角和厚度参数。
图4为本发明的梯度肋片式储能换热器实施例2(n＝6)中肋片分布平面示意图。
图5是实施例2具体的肋片夹角和厚度参数。
图6为本发明的梯度肋片式储能换热器实施例3(n＝8)中肋片分布平面示意图。
图7是实施例3具体的肋片夹角和厚度参数。
图8为本发明的梯度肋片式储能换热器实施例4(n＝10)中肋片分布平面示意图。
图9是实施例4具体的肋片夹角和厚度参数。
图10为本发明的梯度肋片式储能换热器前后盖板平面示意图。
图11为本发明的梯度肋片式储能换热器实施例1中相变腔内部经过4根梯度夹角肋片优化设计后与传统均匀肋片在五个时刻下熔化百分比的柱状对比图。
图12为本发明的梯度肋片式储能换热器实施例2中相变腔内部经过6根梯度夹角肋片优化设计后与传统均匀肋片在五个时刻下熔化百分比的柱状对比图。
图13为本发明的梯度肋片式储能换热器实施例3中相变腔内部经过8根梯度夹角肋片优化设计后与传统均匀肋片在五个时刻下熔化百分比的柱状对比图。
图14为本发明的梯度肋片式储能换热器实施例4中相变腔内部经过10根梯度夹角肋片优化设计后与传统均匀肋片在五个时刻下熔化百分比的柱状对比图。
图中，1.热媒管；2.梯度肋片；3.前盖板；4.后盖板；5.相变腔；6.充液孔；7.外管壳。
具体实施方式
下面结合附图说明进行更进一步的详细说明：
图1所示为本发明水平套管式储能换热器的立体结构示意图，是由热媒管1、梯度肋片2、前盖板3、后盖板4、相变腔5、充液孔6和外管壳7构成的密闭储能装置，相变腔由梯度肋片2和相变材料组成。中心线经过截面的圆心且没有偏移；前盖板3和后盖板4通过圆形外管壳连接；相变腔为热媒管1和外管壳7中间的区域，相变腔内布置的肋片设计为梯度夹角非均匀肋片结构，肋片的数量为n，4≤n≤10，n为偶数；中心线两侧的储能区间被肋片分隔成n/2个扇形区域，n/2个扇形区域的顶角θ从上至下按θn＝θn+1-φ的规律变化；其中，θn+1代表θn下一个肋片间的夹角，φ代表肋片夹角间的差值；φ取值为5×(6-n/2)；不同肋片数量下的套管式储能换热器内部肋片面积均占相变腔总面积的比例确定为10％，同一肋片数n值下周向肋片的厚度相等；在热媒管1内为热流体流道，在前盖板4上设置充液孔6。
实施例1(n＝4)
图2所示左侧为4个肋片的相变腔5内梯度肋片分布截面示意图，相变腔5为梯度肋片分布结构，梯度肋片布置在热媒管1的表面，热媒管1内部为热流体流道。图3所示为相变腔5内梯度肋片分布的具体参数示意图，肋片在相变腔内对称分布，肋片将半圆腔内分为二个扇形区，扇形区的顶角满足等差规律分布，从上至下夹角分别为100°和80°。分隔两个扇形区的肋片与中心线上的两根肋片为相等的15.3mm厚度。图10所示为前后盖板4平面示意图，在前盖板4上设置有充液孔6，通过充液孔6可向相变腔内充入一定量相变工质。
图11所示梯度夹角肋片相比于传统均匀肋片分布在五个不同时刻熔化百分比的柱状对比图。从图中可以明显地看出，在进行梯度肋片改进后，储能换热器的熔化速率得到了明显的提升，与传统均匀肋片相比在熔化性能上仍具有明显的优势。
实施例2(n＝6)
图4所示左侧为6个肋片的相变腔5内梯度肋片分布截面示意图，相变腔5为梯度肋片分布结构，梯度肋片布置在热媒管1的表面，热媒管1内部为热流体流道。肋片在相变腔内对称分布，肋片将半圆腔内分为三个扇形区，根据数值模拟结果确定三个扇形区的顶角为满足上述等差规律分布，从上至下分别为75°、60°和45°夹角的梯级分布。
图5所示右侧为相变腔5内梯度肋片分布的具体参数示意图，由于肋片为左右对称分布，分隔三个扇形区的肋片与中心线上的两根肋片为相等的10.2mm厚度。图10所示为前盖板4平面示意图，在前盖板4上设置有充液孔6，通过充液孔6可向相变腔内充入一定量相变工质。
图12所示梯度夹角肋片相比于传统均匀肋片分布在五个不同时刻熔化百分比的柱状对比图。从图中可以明显地看出，在进行梯度肋片改进后，储能换热器的熔化速率到了明显的提升；与传统均匀肋片相比在熔化性能上仍具有明显的优势。
实施例3(n＝8)
图6所示左侧为8个肋片的相变腔5内梯度肋片分布截面示意图，相变腔5为梯度肋片分布结构，梯度肋片布置在热媒管1的表面，热媒管1内部为热流体流道。肋片在相变腔内对称分布，肋片将半圆腔内分为四个扇形区，根据数值模拟结果确定四个扇形区的顶角为满足上述等差规律分布，从上至下分别为60°、50°、40°和30°夹角的梯级分布。
图7所示右侧为相变腔5内梯度肋片分布的具体参数示意图，由于肋片为左右对称分布，分隔四个扇形区的肋片与中心线上的两根肋片为相等的7.8mm厚度。图10所示为前盖板4平面示意图，在前盖板4上设置有充液孔6，通过充液孔6可向相变腔内充入一定量相变工质。
图13所示梯度夹角肋片相比于传统均匀肋片分布在五个不同时刻熔化百分比的柱状对比图。从图中可以明显地看出，在进行梯度肋片改进后，储能换热器的熔化速率到了明显的提升；与传统均匀肋片相比在熔化性能上仍具有明显的优势。
实施例4(n＝10)
图8所示左侧为10个肋片的相变腔5内梯度肋片分布截面示意图，相变腔5为梯度肋片分布结构，梯度肋片布置在热媒管1的表面，热媒管1内部为热流体流道。肋片在相变腔内对称分布，肋片将半圆腔内分为五个扇形区，根据数值模拟结果确定五个扇形区的顶角为满足上述等差规律分布，从上至下分别为46°、41°、36°、31°和26°夹角的梯级分布。
图9所示右侧为相变腔5内梯度肋片分布的具体参数示意图，由于肋片为左右对称分布，分隔四个扇形区的肋片与中心线上的两根肋片为相等的6.1mm厚度。图10所示为前盖板4平面示意图，在前盖板4上设置有充液孔6，通过充液孔6可向相变腔内充入一定量相变工质。
图14所示梯度夹角肋片相比于传统均匀肋片分布在五个不同时刻熔化百分比的柱状对比图。从图中可以明显地看出，在进行梯度肋片改进后，储能换热器的熔化速率到了明显的提升；与传统均匀肋片相比在熔化性能上仍具有明显的优势。

Claims (8)

1.一种水平管壳式储能换热器，包括圆形外套管和从中穿过的热媒管，在热媒管与外套管之间为储能空间，在储能空间填充有相变储能材料，所述热媒管内用于流通热流体，其特征在于：在所述热媒管的圆周方向设置有n个沿热媒管长度方向延伸的肋片，其中，n≥4，n为偶数；其中两个肋片竖直分布于换热器中心线上，其余的(n-2)个肋片对称分布在中心线两侧，中心线两侧的储能空间被肋片分隔成n/2个扇形区域，n/2个扇形区域的顶角θ从上至下按θn＝θn+1-φ的规律变化；其中，θn+1代表θn下一个肋片间的夹角，φ代表肋片夹角间的差值。
2.根据权利要求1所述的水平管壳式储能换热器，其特征在于：φ取值为5×(6-n/2)。
3.根据权利要求2所述的水平管壳式储能换热器，其特征在于：n≤10。
4.根据权利要求3所述的水平管壳式储能换热器，其特征在于：沿中心热媒管圆周方向布置的肋片厚度相同。
5.根据权利要求3所述的水平管壳式储能换热器，其特征在于：所述热媒管位于圆形外套管的中心位置。
6.根据权利要求3所述的水平管壳式储能换热器，其特征在于：储能区间内肋片容积比控制在8％～15％。
7.根据权利要求3所述的水平管壳式储能换热器，其特征在于：所述圆形外套管包括外管壳、前盖板以及后盖板，所述前盖板和后盖板固定在所述外管壳的两端。
8.根据权利要求3所述的水平管壳式储能换热器，其特征在于：在所述前盖板上设置有充液孔。
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