CN110617728A - 基于相变诱导管的相变储能装置 - Google Patents

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吴刘
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Abstract

一种基于相变诱导管的相变储能装置，包括：储能箱，用于填充相变储能材料；换热管，设置于所述储能箱内，所述换热管内流通一热载体，用于与包围在所述换热管外的所述相变储能材料进行热交换；相变诱导管，与所述储能箱连通，内部填充所述相变储能材料，外部置于冷区；其中，冷区空气能进入相变诱导管使相变诱导管内的相变储能材料产生局部相变而形成成核剂，用于诱导所述储能箱内的相变储能材料成核相变。本发明设计相变诱导管，避免相变储能材料出现过冷度的问题，不仅充分利用相变储能材料的显热与潜热，使得能源利用率得到进一步提高；而且可以大大降低成本，并且使操作简单化。

Description

基于相变诱导管的相变储能装置
技术领域
本发明涉及能源储存领域，尤其涉及一种基于相变诱导管的相变储能装置及其应用。
背景技术
随着全球经济社会的发展，资源与能源短缺问题越来越严重。能源供给与需求在时间和空间上的不匹配问题，造成了能量利用的不合理性和大量的浪费。相变储能技术可以解决这一问题，且提高能源利用效率和保护环境。利用相变储存能量的材料称为相变储能材料。相变储能材料能够解决能源在时间和空间上的供需不匹配问题，利用其储能特性实现能源的高效回收和合理利用。相变储能材料具有储能密度大、相变潜热高及吸放热过程近似恒温稳定的特点。
常见的相变储能装置是将相变储能材料填充到装置中，利用其与盘管中的流动的热载体进行热交换，实现能量的存储与释放。然而，相变储能材料自身存在过冷度较大的问题，当温度达到其相变温度点时不发生相变，而需要继续降到一定温度才触发相变。过冷度较大导致相变储能过程不稳定，经过多次冷热循环后使相变潜热也相应降低。另外，现有相变储能装置换热强度较低，换热效率不高。
实验研究表明通过采用“冷手指法”可有效促进其结晶成核。“冷手指法”是指预留一部分固态结晶水合物作为成核剂，用于引发相变。这种方法能有效地解决过冷问题，但其缺点是使用不方便、相变过程不能自发进行、每次都需要人工操作。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于相变诱导管的相变储能装置及其应用，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为实现上述目的，本发明的技术方案提供一种基于相变诱导管的相变储能装置，包括：
储能箱，用于填充相变储能材料；
换热管，设置于所述储能箱内，所述换热管内流通一热载体，用于与包围在所述换热管外的所述相变储能材料进行热交换；
相变诱导管，与所述储能箱连通，内部填充所述相变储能材料，外部置于冷区；
其中，冷区空气能进入相变诱导管使相变诱导管内的相变储能材料产生局部相变而形成成核剂，用于诱导所述储能箱内的相变储能材料成核相变。
作为本发明的另一个方面，还提供一种如上述的基于相变诱导管的相变储能装置在能源储存领域的应用；
作为优选，在冬季供暖领域的应用。
从上述技术方案可以看出，本发明至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
针对相变储能材料因为过冷度大而导致相变潜热降低，换热强度和换热效率低的问题，本发明设计相变诱导管，利用冷区空气进入相变诱导管使相变诱导管内的相变储能材料产生局部相变而形成成核剂，用于诱导所述储能箱内的相变储能材料成核相变，进而避免相变储能材料出现过冷度的问题，本发明不仅充分利用相变储能材料的显热与潜热，使得能源利用率得到进一步提高；而且大大降低成本，并且使操作简单化。
附图说明
图1是本发明实施例的基于相变诱导管的相变储能装置的剖面示意图。
上述附图中，附图标记含义如下：
1、外壳；2、保温层；3、内壳；4、相变储能材料；5、换热管入口； 6、换热管；7、流量阀；8、感温模块；9、控制阀；10、相变诱导管；11、相变储能材料进料口；12、相变储能材料出料口；13换热管出口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
作为本发明的一个方面，提供一种基于相变诱导管的相变储能装置，包括：
储能箱，用于填充相变储能材料；
换热管，设置于储能箱内，换热管内流通一热载体，用于与包围在换热管外的相变储能材料进行热交换；
相变诱导管，与储能箱连通，内部填充相变储能材料，外部置于冷区；
其中，冷区空气能进入相变诱导管使相变诱导管内的相变储能材料产生局部相变而形成成核剂，用于诱导储能箱内的相变储能材料成核相变。
产生过冷现象的原因是大多数结晶水合盐结晶时成核性能差所致，现有技术一般采用添加成核剂的方法来避免过冷，但寻找适合某种特定水合盐的成核剂比较困难，另外采用其他纳米金属成核剂会导致成本大大升高。本发明利用冷区空气进入相变诱导管，较大的温差促使相变诱导管内的相变储能材料相变，并作为成核剂诱导储能箱内的相变储能材料相变，可以大大降低成本，并且使操作简单化。
在本发明的一些实施例中，相变诱导管设置为L型，与储能箱形成连通器结构；相变诱导管包括1根，但并不局限于此，还可以设置为多根，分布于储能箱的不同位置，使储能箱各个位置均具有诱导相变的成核剂，防止储能箱内的相变储能材料局部发生过冷度。
在本发明的一些实施例中，相变诱导管的端部设置控制阀；控制阀附带空气杂质过滤器，即所述控制阀与空气杂质过滤器一体式设计。以防止空气中的杂质进入储能箱内污染相变储能材料。
在本发明的一些实施例中，换热管为U型蛇形肋管；换热管内流通的热载体为水或导热油。
在本发明的一些实施例中，换热管的两个延伸于储能箱外的端部分别设置为换热管入口和换热管出口；换热管上靠近换热管出口位置设置流量阀。
在本发明的一些实施例中，换热管包括1根或多根；当换热管包括多根时，多根换热管沿水平方向阵列设置于储能箱内。
在本发明的一些实施例中，储能箱的顶部设置有相变储能材料进料口，储能箱的侧壁底部设置有相变储能材料出料口；储能箱内填充的相变储能材料为无机水合盐。
在本发明的一些实施例中，储能箱包括外壳、内壳和外壳与内壳之间的保温层，保温层内填充真空保温材料；在内壳内壁上设置防腐蚀涂层，以防止内壳生锈。
在本发明的一些实施例中，储能箱内设置感温模块，用于监测相变储能材料温度；
其中，感温模块包括温度计，温度计置于储能箱内，温度计外设置隔离套筒，温度计的探测热电偶为不锈钢材质。
作为本发明的另一个方面，还提供一种如上述基于相变诱导管的相变储能装置在能源储存领域的应用；
在本发明的优选实施例中，提供一种如上述基于相变诱导管的相变储能装置在冬季供暖领域的应用。
一般的相变储能材料的相变温度在50℃以上，过冷度不超过10℃，在冬季，温度偏低，冷区容易形成，且通过冷区空气进入相变诱导管来诱导相变诱导管内的相变储能材料形成成核剂的操作容易实现。
为能进一步了解本发明专利的内容、特定及作用，现列举以下应用谷电蓄热的相变储能箱实施案例，并配合附图详细说明如下：
如图1所示，图1为一种基于相变诱导管的相变储能装置剖面示意图，基于相变诱导管的相变储能装置包括：
矩形结构的相变储能箱包括外壳1以及内壳3；储能箱外壳1和内壳 3之间设置保温层2；保温层2内填充真空保温材料；储能箱内分布换热管6，换热管6采用U型蛇形肋管；热载体从换热管入口5流入流经位于储能箱内的换热管6进行换热后由换热管出口13流出；并且，在换热管6 上靠近换热管出口13位置设置流量阀7，用以调节换热管内热载体流量；储能箱内填充相变储能材料4分布于换热管6周围；储能箱内置感温模块 8监测相变储能材料内部温度，温度计的探测热电偶为不锈钢材质；相变储能装置设有相变诱导管10，相变诱导管10穿过储能箱外壳1，保温层2 和储能箱内壳3，使储能箱内的相变储能材料4与储能箱外冷区空气连通；相变诱导管10前端设有附带空气杂质过滤器的控制阀9；储能箱顶部设有相变储能材料进料口11，侧面底部设有相变储能材料出料口12；所述相变储能装置中与相变储能材料接触处涂抹防腐蚀涂层或者选取不锈钢材质。
本实施案例中采用的相变储能材料为：无机水合盐相变储能材料。本实施案例中的热载体为水。
具体操作方式为：
1、蓄热时，热载体(包括但不限于应用谷电时的电能加热的热载体) 由换热管入口5流入，流经位于储能箱内的换热管6，通过换热管6实现热载体与分布于换热管6四周的相变储能材料4换热，并由换热管出口13 流出。通过换热，热载体中的显热传递到相变储能材料中触发其发生相变存储相变潜热和部分显热。
2、释热时，较冷的热载体由换热管入口5流入，流经换热管6时，蓄有热量的相变储能材料先将温差显热传递给换热管6内的热载体，自身温度降低。当相变材料的温度降低至其相变温度时，由于存在过冷影响不能相变。此时控制阀9打开，外部冷空气经过空气杂质过滤器过滤杂质，使相变储能材料与储能箱外过滤后的冷空气接触，较大的温差促使相变诱导管10端的相变储能材料4率先结晶，此部分结晶的相变储能材料作为成核剂诱导储能箱内相变储能材料相变并向热载体释放热量。换热管6内的热载体负载热量由换热管出口13流出，通往各个供热用户。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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 (10)

1.一种基于相变诱导管的相变储能装置，其特征在于，包括：
储能箱，用于填充相变储能材料；
换热管，设置于所述储能箱内，所述换热管内流通一热载体，用于与包围在所述换热管外的所述相变储能材料进行热交换；
相变诱导管，与所述储能箱连通，内部填充所述相变储能材料，外部置于冷区；
其中，冷区空气能进入相变诱导管使相变诱导管内的相变储能材料产生局部相变而形成成核剂，用于诱导所述储能箱内的相变储能材料成核相变。
2.根据权利要求1所述的基于相变诱导管的相变储能装置，其特征在于，所述相变诱导管设置为L型，与所述储能箱形成连通器结构；
其中，所述相变诱导管包括1根或多根。
3.根据权利要求2所述的基于相变诱导管的相变储能装置，其特征在于，所述相变诱导管的端部设置控制阀；
其中，所述控制阀附带空气杂质过滤器。
4.根据权利要求1所述的基于相变诱导管的相变储能装置，其特征在于，所述换热管为U型蛇形肋管；
其中，所述换热管内流通的热载体为水或导热油。
5.根据权利要求1所述的基于相变诱导管的相变储能装置，其特征在于，所述换热管的两个延伸于储能箱外的端部分别设置为换热管入口和换热管出口；所述换热管上靠近所述换热管出口位置设置流量阀。
6.根据权利要求1所述的基于相变诱导管的相变储能装置，其特征在于，所述换热管包括1根或多根；
其中，换热管包括多根时，多根换热管沿水平方向阵列设置于储能箱内。
7.根据权利要求1所述的基于相变诱导管的相变储能装置，其特征在于，所述储能箱的顶部设置有相变储能材料进料口，所述储能箱的侧壁底部设置有相变储能材料出料口；
其中，所述储能箱内填充的相变储能材料为无机水合盐。
8.根据权利要求1所述的基于相变诱导管的相变储能装置，其特征在于，所述储能箱包括外壳、内壳和外壳与内壳之间的保温层，所述保温层内填充真空保温材料；
其中，在内壳内壁上设置防腐蚀涂层。
9.根据权利要求1所述的基于相变诱导管的相变储能装置，其特征在于，所述储能箱内设置感温模块，用于监测所述相变储能材料温度；
其中，所述感温模块包括温度计，所述温度计置于储能箱内，所述温度计外设置隔离套筒，所述温度计的探测热电偶为不锈钢材质。
10.一种如权利要求1至9任一项所述的基于相变诱导管的相变储能装置在冬季供暖领域的应用。
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