CN110953912A - 一种热容量可调的相变储热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热容量可调的相变储热装置，包括顶部开口的外壳，外壳的顶部设置有可拆卸的顶部盖板；外壳内分别设置有上管板和下管板，上管板和下管板上安装有竖直向的若干根相变储热单元；各相变储热单元的底部均可拆卸安装在下管板上，顶部均可拆卸安装在上管板上；上管板和下管板上均开设有换热流体均流孔；外壳的侧壁底部开设有换热流体进口，外壳的侧壁顶部开设有换热流体出口；本发明通过顶部盖板打开，可以方便地更换相变储热单元，进而可根据不同用热场景边界条件增添封装PCM单元数量或更换PCM种类，实现相变储热装置热容量的调节，提高装置适用范围，各组成部件可模块化生产，组装、更换便捷，经济投资成本降低。

Description

一种热容量可调的相变储热装置

【技术领域】

本发明属于相变储热技术领域，尤其涉及一种热容量可调的相变储热装置。

【背景技术】

热能是应用最普遍的一种能量形式，但热能用户端和供给端往往在时间上和数量上不一致，在这种背景下储能技术应运而生。热能存储主要包括显热储存和相变储存。显热存储是基于材料的温度、质量和比热容，具有结构简单及成本低等优势，但其储能密度较低。相变储热由于装置尺寸紧凑和储能密度高等优势展现出较强的吸引力，被认为是现阶段最有前景的能量储存技术之一，目前广泛应用于工业余热回收、电网调峰、建筑节能等领域。

相变储热装置是储热系统的核心设备，目前，相变储热装置较多采用列管式结构，利用单管或多管束内冷/热流体的流动完成取/蓄热过程。换热管常采用蛇形或螺旋形结构，导致整体储热装置流阻较大，也带来换热管的制造、安装、固定等工艺较复杂的问题，制造成本较高。通常根据特定热源边界条件设计储热装置的换热管面积、储热量和PCM数量，从而导致设计出的相变储热装置额定储热量一定，热容量不可调，适用范围具有一定局限性，当热源参数(温度和流量)变化较大时，往往需要重新设计储热装置。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种热容量可调的相变储热装置，以解决热容量不可调的问题。

本发明采用以下技术方案：一种热容量可调的相变储热装置，包括顶部开口的外壳，外壳的顶部设置有可拆卸的顶部盖板；

外壳内分别设置有上管板和下管板，上管板和下管板上安装有竖直向的若干根相变储热单元；各相变储热单元的底部均可拆卸安装在下管板上，各相变储热单元的顶部均可拆卸安装在上管板上；上管板和下管板上均开设有换热流体均流孔；

外壳的侧壁底部开设有换热流体进口，外壳的侧壁顶部开设有换热流体出口。

进一步地，下管板的顶面上间隔均匀设置有若干个安装槽，每个安装槽均用于相变储热单元的底端插入；

上管板上设置有若干个安装通孔，每个安装通孔均用于固定相变储热单元的顶端。

进一步地，外壳内部设置有内胆，内胆内部、且位于上管板的上方可拆卸设置有密封盖板。

进一步地，密封盖板为圆板状，密封盖板通过固定装置可拆卸安装在内胆上；

固定装置为圆环状，固定装置与内胆焊接，固定装置上沿其圆周开设有螺纹孔，并通过螺栓与密封盖板连接。

进一步地，外壳内侧设置有内胆，外壳和内胆之间设置有保温层。

进一步地，外壳和内胆均为顶部开口的管状体，顶部盖板为圆板状，顶部盖板的直径与外壳的直径相等、且顶部盖板与外壳密封连接。

进一步地，若干根相变储热单元均匀间隔设置在内胆内。

进一步地，外壳与换热流体出口及换热流体进口之间均设置有密封法兰。

本发明的有益效果是：本发明通过顶部盖板打开，可以方便地更换相变储热单元，进而可根据不同用热场景边界条件增添封装PCM单元数量或更换PCM种类，实现相变储热装置热容量的调节，提高装置适用范围；且储热装置各组成部件均采用模块化设计，生产、组装方便，只需更换PCM单元即可满足一套相变储热装置适用于多种场景，经济投资成本降低。

【附图说明】

图1为本发明实施例中相变储热装置的透视结构示意图；

图2为本发明实施例中密封盖板的固定装置的结构示意图；

图3为图1中a部的局部放大图；

图4为本发明实施例中相变储热单元的结构示意图；

图5为本发明实施例中相变储热装置的俯视示意图；

图6为本发明实施例中上管板的结构示意图；

图7为本发明实施例中下管板的剖面结构示意图；

图8为图7中的B-B面剖面图。

其中：1.下管板支撑件；2.下管板；2-1.换热流体均流孔；2-2.安装槽；3.相变储热单元；3-1.PCM；3-2.PCM体积膨胀区；5.上管板；6.换热流体出口；7.顶部盖板；8.密封盖板；9.换热流体进口；10.固定装置；10-1.螺纹孔；

101.PCM区域；102.换热流体区域；103.外壳；104.保温层；105.内胆；

a-1.焊接面；a-2.螺栓；a-3.密封垫圈。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明实施例公开了一种热容量可调的相变储热装置，如图1所示，包括顶部开口的外壳103，外壳103的顶部设置有可拆卸的顶部盖板7。

外壳103内设置有竖直向的若干根相变储热单元3，如图4所示，相变储热单元3采用PCM封装单元，其下部为PCM3-1，上部为PCM体积膨胀区3-2。PCM封装单元壁材应具有较高的导热系数、抗腐蚀性和抗变形能力，可选用金属或高密度聚合烯烃材料。

若干根相变储热单元3的底部均可拆卸安装在下管板2上，若干根相变储热单元3的顶部均可拆卸安装在上管板5上，通过竖直向设置的各相变储热单元3与外界流体进行换热，实现储热。上管板5和下管板2均与外壳103连接，上管板5和下管板2均开设有换热流体均流孔2-1；通过热流体均流孔2-1使外部流体依次穿过下管板2、若干根相变储热单元3外部空间和上管板5。外壳103外部还设置有内胆105，内胆105和外壳103的侧壁底部开设有换热流体进口9，内胆105和外壳103的侧壁顶部开设有换热流体出口6。上管板5固定在内胆105上部焊接的限位角钢上。

另外，为相变储热单元3预留一定的膨胀空间，在本实施例中，封装单元内PCM体积不应超过单元容积的80％。

本发明通过顶部盖板7打开，可以方便地更换相变储热单元3，进而可根据不同用热场景边界条件增添封装PCM单元数量或更换PCM种类，实现相变储热装置热容量的调节，提高装置适用范围；且储热装置各组成部件均采用模块化设计，生产、组装方便，只需更换PCM单元即可满足一套相变储热装置适用于多种场景，经济投资成本降低。

具体地，在外壳103内侧设置有内胆105，外壳103和内胆105之间设置有保温层104。通过保温层104，降低储热装置的热量流失，提高储热装置的利用效率。本实施例中外壳103和内胆105厚度为2～5mm的不锈钢，保温层104的保温材料导热系数应小于0.05w/(m.K)，厚度应大于50mm，可优选发泡聚氨酯。

在本实施例中，外壳103和内胆105均为顶部开口的管状体，顶部盖板7为圆板状，顶部盖板7的直径与外壳103的直径相等、且顶部盖板7与外壳103密封连接。

为了更加充分地增强换热流体的传热，如图5、图6所示，若干根相变储热单元3均匀间隔设置在外壳103内，在任意两个相变储热单元3均具有相同大小的空间，进而可以使得相变储热单元3的储热及放热更加均匀。在图5中，可以看到具有PCM区域101、换热流体区域102，这样经过两个区域中的热交换，实现储热及放热的过程。

更为具体地，如图7、图8所示，本实施例中下管板2中的圆形安装槽2-2、上管板5中的圆形通孔和换热流体均流孔通道均按照等边三角形排列，且呈均匀对称布置，使得蓄热空间换热更加均匀。

为了方便相变储热单元3的拆卸，下管板2的顶面上、间隔均匀设置有若干个安装槽2-2，本实施例中安装槽设为与PCM封装单元相匹配的圆形槽，每个圆形槽均用于相变储热单元3的底端插入，用于相变储热单元垂直方向和水平方向的固定。上管板5上设置有若干个安装通孔，安装通孔也选用与PCM封装单元向匹配的圆形通孔，每个安装通孔均用于固定相变储热单元3的顶端。这样，相变储热单元3可以通过下管板2和上管板5进行位置的固定，且当需要更换时，打开顶部盖板7和密封盖板8后，可以通过上管板5上的安装通孔将相变储热单元3抽离。该实施例中上管板5的圆形通孔和下管板的安装槽2-2数量均为n，相变储热单元数为m，需满足1≤m≤n。

为了防止储热装置漏水，内胆105内部、且位于上管板5的上方可拆卸设置有密封盖板8。

作为一种具体的实施方式，如图3所示，密封盖板8为圆板状，密封盖板8通过固定装置10可拆卸安装在内胆105上。如图2所示，固定装置10为圆环状，固定装置10与内胆105焊接，焊接面为a-1，在固定装置10上沿其圆周开设有多个螺纹孔10-1，并通过螺栓a-2与密封盖板8连接。进而，通过上述的方式实现了密封盖板8的固定，也可以方便对其拆卸，最终方便更换相变储热单元3。并且，固定装置10与密封盖板8之间还设置有耐腐蚀耐高温的密封垫圈a-3，以防止装置漏水。

为了实现整个装置的密封性，外壳103(和内胆105)与换热流体出口6及换热流体进口9之间均设置有密封法兰，进一步防止流体泄漏，增加储热装置的密封性，可靠性，还可以便于管道的快速安装。

在本发明中多根竖直设置的相变储热单元3并联均匀对称布置，有效增加换热面积，缩短热响应时间，并设计了带均流孔的上下管板，既可实现对封装相变储热单元的限位，又可实现换热流体的均流，结构简单，维修方便，装置流阻较小。

在本实施例中，下管板2与外壳103底板之间设置有圆管状下管板支撑件1，下管板支撑件1紧贴内胆105设置，通过其自身的长度(或者是高度)对下管板2进行支撑，进而为换热流体进口9提供空间。

在本实施例中，当热源或用热边界条件(温度、流量)变化较大时，所需相变储热装置热容量将发生变化，根据需求增/减封装PCM单元数量，以满足用热端需求。当换热介质改变时，例如水换为导热油，此时再利用以水为换热介质时的相变储热装置的效率较低，因为导热油使用温度远高于水。打开顶部盖板7和密封盖板8，更换封装相变储热单元3，使用具有较高温度的相变储热单元3。

本发明可以根据用热环境温度需求，选取具有适宜相变温度的PCM。例如，当该储热装置用作谷电供暖时，所选PCM相变温度应在45℃～85℃，可选用结晶水合盐或石蜡。在PCM中可添加高导热性的微纳米材料及多孔介质，如金属纳米颗粒、石墨等，以便提高蓄/取热速率。

在整个封装相变储热单元3增减或替换过程中，只需打开顶部盖板7和密封盖板8，安装具有相同几何尺寸的相变储热单元3即可，无需替换更改其它部件，简捷方便。若单个相变储热单元3出现性能衰减时，可快速维修。

另外，可设计生产具有相同规格但相变温度不同的相变储热单元3，根据不同场景更换相应的相变储热单元3种类及数量，即可满足用热需求。而在设计过程中，相变储热装置其它部件(如壳体、管板等)结构参数固定不变，以实现模块化生产，大大提高生产效率，便于规模化推广。

本发明的工作过程为：换热流体从储热装置换热流体进口9进入，经过下管板2均流孔实现分流，换热流体在储热装置内沿垂直方向均匀流动，相变储热单元3吸收热量逐渐由固态变为液态，完成热量存储。换热降温后的换热流体从上管板5均流孔流出，而后合流从换热流体出口6流出。取热过程与蓄热过程类似，换热流体流向均为从下向上。

Claims (8)

1.一种热容量可调的相变储热装置，其特征在于，包括顶部开口的外壳(103)，所述外壳(103)的顶部设置有可拆卸的顶部盖板(7)；

所述外壳(103)内分别设置有上管板(5)和下管板(2)，所述上管板(5)和下管板(2)上安装有竖直向的若干根相变储热单元(3)；所述各相变储热单元(3)的底部均可拆卸安装在下管板(2)上，所述各相变储热单元(3)的顶部均可拆卸安装在上管板(5)上；所述上管板(5)和下管板(2)上均开设有换热流体均流孔(2-1)；

所述外壳(103)的侧壁底部开设有换热流体进口(9)，所述外壳(103)的侧壁顶部开设有换热流体出口(6)。

2.如权利要求1所述的一种热容量可调的相变储热装置，其特征在于，所述下管板(2)的顶面上间隔均匀设置有若干个安装槽(2-2)，每个所述安装槽(2-2)均用于所述相变储热单元(3)的底端插入；

所述上管板(5)上设置有若干个安装通孔，每个所述安装通孔均用于固定所述相变储热单元(3)的顶端。

3.如权利要求2所述的一种热容量可调的相变储热装置，其特征在于，所述外壳(103)内部设置有内胆(105)，所述内胆(105)内部、且位于所述上管板(5)的上方可拆卸设置有密封盖板(8)。

4.如权利要求3所述的一种热容量可调的相变储热装置，其特征在于，所述密封盖板(8)为圆板状，所述密封盖板(8)通过固定装置(10)可拆卸安装在所述内胆(105)上；

所述固定装置(10)为圆环状，所述固定装置(10)与所述内胆(105)焊接，所述固定装置(10)上沿其圆周开设有螺纹孔，并通过螺栓(a-2)与所述密封盖板(8)连接。

5.如权利要求1所述的一种热容量可调的相变储热装置，其特征在于，所述外壳(103)内侧设置有内胆(105)，所述外壳(103)和内胆(105)之间设置有保温层(104)。

6.如权利要求1或5所述的热容量可调的相变储热装置，其特征在于，所述外壳(103)和所述内胆(105)均为顶部开口的管状体，所述顶部盖板(7)为圆板状，所述顶部盖板(7)的直径与所述外壳(103)的直径相等、且所述顶部盖板(7)与所述外壳(103)密封连接。

7.如权利要求4所述的一种热容量可调的相变储热装置，其特征在于，所述若干根相变储热单元(3)均匀间隔设置在所述内胆(105)内。

8.如权利要求1所述的一种热容量可调的相变储热装置，其特征在于，所述外壳(103)与所述换热流体出口(6)及换热流体进口(9)之间均设置有密封法兰。

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