CN110595244A - 一种模块化合金相变蓄放热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蓄放热装置，尤其公开了一种模块化合金相变蓄放热装置。该模块化合金相变蓄放热装置，包括容器外壳，其特征在于：容器外壳内填充蓄热模块，蓄热模块由蓄热单元密封而成，蓄热单元内封装有金属相变蓄热材料，容器外壳上设置有介质第一入口、介质第二入口、介质第一出口和介质第二入口。本发明的有益效果是：采用采用循环稳定性好、储热性能高、热导率大的三元铝硅铜合金相变蓄热材料，使得相变蓄热装置的蓄热速率和蓄热密度有效提高。蓄热器为正六边形的壳管式模块化设计，结构简单，拼接稳定安全，现场布置灵活，不同各模块之间可并联或串联使用。根据蓄热量需求和空间体积占用需求不同，模块数量可进行调整。
Description
技术领域
本发明涉及一种蓄放热装置，尤其涉及一种模块化合金相变蓄放热装置。
背景技术
太阳能发电是规模性开发利用太阳能的一个重要手段，主要分为直接发电和间接发电。直接发电可靠性高，但大型化程度低，间接发电主要以热发电为主。太阳能热发电具有高容量，电力输出更平稳，适合大型化发展，发电模式容易解决并网等优点。太阳能光热发电越来越受到社会关注，20世纪90年代以来，美国、欧盟都制定了“太阳能热发电计划”，计划在2020年左右实现太阳能热发电利用的商业化。
但是太阳辐射存在有间歇性和不稳定性等问题，蓄热技术作为一种“平均”能量密度的手段可有效解决这一问题。例如一塔式CSP系统，若没有蓄热装置，年利用率仅为25%，在系统中采用储热技术（TES，Thermal Energy Storage），吸收太阳辐射能的高温传热流体将一部分能量存储在蓄热体中，另一部分能量用于带动发电装置发电，当太阳辐射低时蓄热装置将存储的能量释放出来，则年利用率能提高到65%，且不需要燃料作为后备能源。
本发明以导热系数高的铝基合金为基础，选择相变温度适宜，改良的三元铝硅铜合金作为相变蓄热材料。蓄热装置的换热热阻主要集中在换热流体侧，亦在换热流体侧添加环肋进行强化换热。太阳能热发电系统中高温相变蓄热装置通常比较庞大，模块化设计相当于把一个完整的换热器分成很多个完全一样的小模块，使用时再把这些单独的模块拼接起来。其最大的优点就在于可以根据蓄热的需要，把与要求储热量所对应的模块数量进行组合拼接使用，并且蓄热换热器如果出现故障，可以只把出现故障的部分单独取出来，然后换上新的模块，这样不仅方便蓄热器的维修，还不会影响换热器继续使用。
发明专利内容
本发明提出一种模块化合金相变蓄放热装置，该模块化合金相变蓄放热装置，不仅蓄放热效率高，而且可以根据蓄热的需要，把与要求储热量所对应的蓄放热模块数量进行组合拼接使用，并且蓄热换热器如果出现故障，可以只把出现故障的部分单独取出来，然后换上新的模块，这样不仅方便蓄热器的维修，还不会影响换热器继续使用。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下面所描述：
一种模块化合金相变蓄放热装置，包括容器外壳，其特征在于：容器外壳内填充蓄热模块，蓄热模块由蓄热单元密封而成，蓄热单元内封装有金属相变蓄热材料，容器外壳上设置有介质第一入口、介质第二入口、介质第一出口和介质第二入口。
所述蓄热单元为管状，由蓄热单元外管和蓄热单元内管套接而成，金属相变蓄热材料通过密封圈封装于内外管之间。
所述蓄热单元的内外管均为不锈钢材料。
所述金属相变蓄热材料为相变温度高于400度的相变材料。
所述金属相变蓄热材料为三种，以靠近换热介质入口处开始沿着蓄热单元轴向依次按照熔点从高到低顺序排列。
所述金属相变材料三元铝硅铜合金相变蓄热材料。
所述的蓄热模块包括模块壳体，模块壳体内包括若干蓄热单元组成的单元阵列，模块壳体两端有封头，蓄热模块上设置有换热介质出入口。
所述蓄热模块上的换热介质出入口设置在模块壳体上。
所述蓄热模块上的换热介质出入口设置在封头上。
所述模块壳体为六边蜂巢形，两端设置有锥形密封头。
所述蓄热模块外敷设有保温材料。
所述蓄热模块内有网状支架，用来支撑蓄热单元，蓄热单元内管内设置有
内环肋。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用采用循环稳定性好、储热性能高、热导率大的三元铝硅铜合金相变蓄热材料，使得相变蓄热装置的蓄热速率和蓄热密度有效提高。
2、蓄热器为正六边形的壳管式模块化设计，结构简单，拼接稳定安全，现场布置灵活，不同各模块之间可并联或串联使用。根据蓄热量需求和空间体积占用需求不同，模块数量可进行调整。单个或多个模块可在线安装、检修、更换，且不影响整体蓄热装置的运行，满足大容量装置的要求。
3、换热介质可进行沿管长流动和换热介质横刷管束两种不同的流动方式，便于依据不同的蓄热模块组装方式从而调节换热介质进出口位置。
4、换热流体侧添加了环肋，内环肋布置在内管的管内，可以破坏流动边界层，增加扰动，强化换热。对于采用气体作为循环工质与蓄热单元进行换热时，内环肋的强化换热效果尤其显著，提高蓄放热速率的目的。
附图说明
通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1是蓄热器中蓄热模块拼接示意图；
图2是相变蓄热单元结构示意图；
图3是相变蓄热模块的模块外部示意图。
图4是蓄热模块中蓄热单元阵列截面示意图；
图5是蓄热模块沿轴向剖面结构示意图；
图中，1容器外壳、2蓄热模块、3蓄热单元、4蓄热单元外管、5蓄热单元内管、6密封圈、7合金相变蓄热材料、8网状支架、9内环肋、10锥形封头、11模块壳体、12介质第一入口、13介质第二入口、14介质第一出口、15介质第二出口、16保温材料。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
图1是蓄热器中蓄热模块拼接示意图。
如图1所示，蓄热模块2呈六边蜂巢形排列在蓄热装置的容器外壳1内。
图2是相变蓄热单元3结构示意图。
如图2所示，蓄热单元3是由蓄热单元外管4和蓄热单元内管5套接而成，金属相变蓄热材料通过密封圈6封装于内外管之间。
图3是相变蓄热模块的模块外部示意图。
如图3所示，蓄热模块2包括模块壳体11，模块壳体11两端有封头10，蓄热模块上设置有换热介质出入口，介质出入口可以设置在模块壳体11上，也可以设置在封头上。如图3所示，模块壳体1为六边蜂巢形，两端设置有锥形密封头10。
图4是蓄热模块中蓄热单元阵列截面示意图；图5是蓄热模块沿轴向剖面结构示意图。
如图4、图5、所示：蓄热单元3通过网状支架8排列在蓄热模块2内，蓄热模块2包括模块壳体11，模块壳体11内包括若干蓄热单元3组成的单元阵列，
蓄热单元3通过网状支架8水平安装在蓄热模块2中，根据蓄热模块2需热量的多少确定蓄热单元3的数量，且蓄热单元3呈交叉排列。
蓄热模块2上介质第一入口12和介质第二出口15位于所述相变蓄热模块2的锥形封头10上，介质第二入口13和介质第一出口14位于所述相变蓄热模块2壳体结构的模块壳体11上，为减小热量损失，在蓄热模块的模块壳体11侧均敷设有保温材料16。
本发明模块化合金相变蓄放热装置的工作流程如下：
白天太阳辐射充足时进行蓄热过程：空气S1从介质第一入口12或/和介质第二入口13进入相变蓄热模块2，与相变蓄热单元3中的三元铝硅铜合金相变材料换热，将能量储存在蓄热单元3内，空气S1换热后温度降低成为低温空气S1，从介质第一出口14或/和介质第二出口15，流出回到腔式集热器吸热；傍晚或夜间在太阳辐射低时进行放热过程：低温空气从第一入口12或/和介质第二入口13流入蓄热模块2吸热后，从介质第一出口14或/和介质第二出口15流出到后端发电系统推动发电做功。
相变过程具有可逆性，蓄热放热过程可循环重复使用，实现冷、热流体与合金相变蓄热材料7之间的高效换热。
相变材料采用经过改进配比的硅铝铜，可以提高蓄热量和蓄热速率。相关的实验数据见附表，表1相变特性参数设置汇总表，表2为Al-Si-Cu合金PCM的Hotdisk测试结果表。由表可以看出，制备出的Al-5%Si-31.5%Cu的质量潜热比 Al-31.5%Cu高出了10.18%，体积潜热比Al-5%Si高出了20.1%，通过对比含铜含量在10%～31.5%范围内的 Al-Si-Cu 合金的热物性，选择 AISI316 不锈钢为封装材料。
表1相变材料的热容测试数据
表2相变材料的导热测试数据
另外，根据不同结构的蓄热单元3进行定量的分析比对，圆形结构的截面的蓄热速率比六边形结构快了约6%，比方形结构快乐15。4%。凝固速率也是圆行机构蓄热单元最快，比方形结构快了约16.7%，六边形结构处于两者之间，慢于圆形结构约3.2%，从蓄热速率和受热均匀度两方面考虑，最终采用管状结构的蓄热单元3。
根据蓄热量需求和空间体积占用需求不同，蓄热模块2数量可进行调整。单个或多个模块可在线安装、检修、更换，且不影响整体蓄热装置的运行，满足大容量装置的要求。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。
本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种模块化合金相变蓄放热装置，包括容器外壳，其特征在于：容器外壳内填充蓄热模块，蓄热模块由蓄热单元密封而成，蓄热单元内封装有金属相变蓄热材料，容器外壳上设置有介质第一入口、介质第二入口、介质第一出口和介质第二入口。
2.根据权利要求1所述的模块化合金相变蓄放热装置，其特征在于：所述蓄热单元为管状，金属相变蓄热材料封装于内外管之间。
3.根据权利要求1所述的模块化合金相变蓄放热装置，其特征在于：所述蓄热单元的内外管均为不锈钢材料；蓄热单元内管内设置有内环肋；所述蓄热模块为六边蜂巢形，两端设置有锥形密封头；蓄热模块外敷设有保温材料；蓄热模块内有网状支架，用来支撑蓄热单元。
4.根据权利要求2所述的模块化合金相变蓄放热装置，其特征在于：所述金属相变蓄热材料为相变温度高于400度的相变材料。
5.根据权利要求2所述的模块化合金相变蓄放热装置，其特征在于：所述金属相变蓄热材料为三种，以靠近换热介质入口处开始沿着蓄热单元轴向依次按照熔点从高到低顺序排列。
6.根据权利要求2所述的模块化合金相变蓄放热装置，其特征在于：所述金属相变材料为三元铝硅铜合金相变蓄热材料。
7.根据权利要求6所述的模块化合金相变蓄放热装置，其特征在于：所述金属相变材料三元铝硅铜合金相变蓄热材料为铜的质量分数为 10%～31.5%的 三元铝硅铜合金。
8.根据权利要求1所述的模块化合金相变蓄放热装置，其特征在于：所述的蓄热模块包括模块壳体，模块壳体内包括若干蓄热单元组成的单元阵列，模块壳体两端有封头，蓄热模块上设置有换热介质出入口。
9.根据权利要求4所述的模块化合金相变蓄放热装置，其特征在于：所述蓄热模块上的换热介质出入口设置在模块壳体上。
10.根据权利要求4所述的模块化合金相变蓄放热装置，其特征在于：所述蓄热模块上的换热介质出入口设置在封头上。
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| CN110595244B (zh) | 2024-09-03 |
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