CN111043581A - 一种基于重力热管的分层式相变储热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于重力热管的分层式相变储热器，包括箱体、热源接收系统、储热系统和取热器；箱体为左低右高的倾斜设置，储热系统设置在箱体内，包括多个从下至上分层分布的细金属管和封装在细金属管内的相变材料，取热器设置在储热系统的右侧，并且中部位于箱体内；热源接收系统设置在箱体左端并与其连通，包括集热箱和穿过集热箱内的肋片管，集热箱内设有传热工质，传热工质没过肋片管。本基于重力热管的分层式相变储热器，不仅通过传热工质的循环实现热量的储热和传热的同时进行，而且具有良好的均温性、传热性，并且在温差较小的情况下以较小的体积储存和传送大量热量，用途广泛。

Description

一种基于重力热管的分层式相变储热器
技术领域
本发明涉及能源利用领域，具体涉及一种基于重力热管的分层式相变储热器。
背景技术
在化石燃料逐年减少、国际能源形势日趋严峻的今天，人们对节约能源和开发可再生能源日益重视。面对能源紧缺、排放的废热和余热未能得到合理利用等问题，对我国能源结构进行调整、回收废热已成为能源发展所面临的重要任务之一，太阳能是一种清洁、环保、高效、取之不尽、用之不竭的可再生新能源，开发利用太阳能是解决能源问题、调整能源结构的重要途径之一，太阳能资源利用已经成为各国可持续发展战略的重要组成部分。但太阳能和排放的废热、余热均存在不连续、不稳定的问题，发展储热技术是解决这些问题的有效途径，可以缓解能量供求双方在时间、地点、形式、强度等方面不匹配的问题。
中国专利CN101893339 A公布了一种分离式真空管套管组合高温储热器，通过若干根玻璃真空管位于钢板箱内且其间分别设有泡沫塑料支架和保温材料，传热套管位于每一根玻璃、真空管内且其间套接有高温固固储热材料，镜面铝箔包覆于玻璃真空管的外部。但是其结构限制了储热材料的量，储热量小；
中国专利CN 201032291公布了一种太阳能储热单元及其构成的整体式太阳能热水器，包括真空集热管和储热组件，储热组件设置在真空集热管内，储热组件又包括封闭管、进水管和出水管，进水管和出水管设置在封闭管的同一端；其以水为储热介质，所以无法输出恒定的热量。
中国专利CN 201327216公布了一种复合能源太阳能相变蓄热供热装置，相变蓄热体置于太阳能集热管内，出水支管置于相变蓄热体中，进水支管置于出水支管内。相变蓄热体置于太阳能集热管内，实现了太阳能集热供热装置一体化。其采用的是低温固-液相变材料，所以无法产生高温蒸汽，而且固液相变材料存在过冷度大、自身的相分离等缺点，热转换效率较低。
发明内容
本发明提供一种基于重力热管的分层式相变储热器，结构简单，不仅通过传热工质的循环实现热量的储热和传热可同时进行，而且具有良好的均温性、传热性，并且在温差较小的情况下以较小的体积储存和传送大量热量，用途广泛。
为实现上述目的，本一种基于重力热管的分层式相变储热器包括箱体、热源接收系统、储热系统和取热器；
箱体为左低右高的倾斜设置，储热系统设置在箱体内，包括多个从下至上分层分布的细金属管和封装在细金属管内的相变材料，取热器设置在储热系统的右侧，并且中部位于箱体内；
热源接收系统设置在箱体左端并与其连通，包括集热箱和穿过集热箱内的肋片管，集热箱内设有传热工质，传热工质没过肋片管。
进一步的，多个细金属管根据直径大小区域性布置，并且其直径从左至右、从下至上逐渐减小，并且下层细金属管之间间距大于上层细金属管之间间距。
进一步的，最大细金属管的直径不超过10mm。
进一步的，所述的箱体采用金属材料，中间布置有玻璃棉。
进一步的，箱体中间制成真空夹层。
进一步的，所述箱体内壁的前后侧面和底面设有流水槽，箱体的流水槽表面做亲水处理，其余表面做疏水处理。
进一步的，所述箱体上表面为翼型凸起。
进一步的，所述相变材料为无机相变材料或金属相变材料。
进一步的，所述集热箱可为太阳能集热板，传热工质根据使用温度范围不同可为低沸点的有机工质、多元混合工质。
与现有技术相比，本一种基于重力热管的分层式相变储热器具有以下优点：
(1)本发明由于设置箱体、热源接收系统、储热系统和取热器，集热箱内的传热工质吸收热量而蒸发的转化为饱和蒸汽，并进入箱体内上部冷凝放热，并在箱体内壁、细金属管管壁和取热器管壁冷凝，可通过相变材料进行储热，也可通过取热器进行传热，因此实现传热工质的循环实现热量的储热和传热的同时进行，并且换热强度高，能在温差比较小的情况下实现传递热量；
(2)由于细金属管为多个从下至上分层分布、其内封装有相变材料，通过相变材料发生相变时的巨大强热来进行储存和释放热量，下层细金属管至上层逐层分布，因此实现迅速、高热流密度的换热，另外多个细金属管根据直径大小区域性布置，并且其直径从左至右、从下至上逐渐减小，通过细金属管的直径、布置方式以及间距设置，使得每层细金属管在热转换时，能实现最大效率热流量，具有良好的均温性，避免每层细金属管储热不均衡；
(3)由于箱体倾斜设置，在重力作用下冷凝后的传热工质回流至集热箱底部，实现传热工质的循环利用，避免资源的浪费，并且由于箱体内部侧面及底面刻有微槽，对微槽表面做亲水处理，增大微槽的毛细力，对其余表面做疏水处理，用以强化传热工质的循环，促进传热工质冷凝后液滴的脱离，使得传热工质的循环更加高效；
(4)由于相变材料封装在细金属管中，另外细铜管管径不超过10mm，既解决相变材料导热系数较低的问题，又避免相变材料和储热器传热工质的相互污染。
附图说明
图1为本发明的整体外形图示意图。
图2为本发明的整体内部结构示意图。
图3为本发明整体后视图。
图4为本发明整体仰视图。
图5为本发明B-B剖面图。
图6为本发明A-A剖面图。
图中：1、箱体，2、热源接收系统，21、集热箱，22、肋片管，3、储热系统，31、细金属管，32、相变材料，4、取热器，5、传热工质。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、图2、图3、图4所示，本一种基于重力热管的分层式相变储热器包括箱体1、热源接收系统2、储热系统3和取热器4；
箱体1为左低右高的倾斜设置，储热系统3设置在箱体1内，包括多个从下至上分层分布的细金属管31和封装在细金属管31内的相变材料32，取热器4设置在储热系统3的右侧，并且中部位于箱体1内，取热器4的中部为螺旋管状结构；
热源接收系统2设置在箱体1左端并与其连通，包括集热箱21和穿过集热箱21内的肋片管22，集热箱21可以为太阳能集热板或太阳能集热装置，其内设有传热工质5，传热工质5没过肋片管22，传热工质5根据使用温度范围不同可以是低沸点有机工质、水、多元混合工质等；
进一步的，多个细金属管31根据直径大小区域性布置，并且其直径从左至右、从下至上逐渐减小，并且下层细金属管31之间间距大于上层细金属管31之间间距；
进一步的，最大细金属管31的直径不超过10mm；
进一步的，所述的箱体1采用金属材料，中间布置有玻璃棉；优选的箱体1中间制成真空夹层；
进一步的，所述箱体1内壁的前后侧面和底面设有流水槽，箱体1的流水槽表面做亲水处理，其余表面做疏水处理；
进一步的，所述箱体1上表面为翼型凸起；可根据储热量布置更多储热系统3中封装相变材料32的根据直径分层分布的阵列细金属管31。储热系统3与箱体1中部箱体1为一个整体，可安装和拆卸；
进一步的，所述相变材料32为无机相变材料32或金属相变材料32。
本一种基于重力热管的分层式相变储热器使用时，从下部的肋片管22内流通从工业设备回收的高温烟气、冷却水等，实现工业预热的利用，肋片管22的管径可以根据实际情况数来选用或设计，并且肋片管22通入的是高温烟气、冷却水等工业预余热，并不是工业废料等，因此避免工业废料与集热箱21内的传热工质5直接接触，避免污染；
传热工质5吸收热量而蒸发的转化为饱和蒸汽，蒸汽上升并从集热箱21内进入箱体1内上部冷凝放热，并在箱体1内壁、细金属管31管壁和取热器4管壁冷凝，并且由于箱体1整体为倾斜设置，因此在重力作用下冷凝后的传热工质5回流至集热箱21底部，实现传热工质5的循环利用，避免资源的浪费；
传热工质5根据使用温度范围不同可以选择低沸点的有机工质、水、多元混合工质等，当传热工质5循环时，依靠其气液相变实现热源的储热、取热的热量传输，即热量被细金属管31内部的相变材料32吸收并储存进行储热处理，也可以将部分热量直接加热至取热器4内使得取热器4内的取热介质进行加热处理，因此实现储热和加热的同时进行；
传热工质5的循环过程为的相变传热，换热强度高，能在温差比较小的情况下实现传递热量，并且由于细金属管31为多个从下至上分层分布、其内封装有相变材料32，通过相变材料32发生相变时的巨大强热来进行储存和释放热量，下层细金属管31至上层逐层分布，因此实现迅速、高热流密度的换热，并在温差交小的情况下传热、以较小的体积储存大量热量；
并且进一步的，多个细金属管31根据直径大小区域性布置，并且其直径从左至右、从下至上逐渐减小，并且下层细金属管31之间间距大于上层细金属管31之间间距，最大细金属管31的直径不超过10mm，通过细金属管31的直径、布置方式以及间距设置，使得每层细金属管31在热转换时，能实现最大效率热流量，具有良好的均温性，避免每层细金属管31储热不均衡；
箱体1由金属制成，中间布置有玻璃棉等保温材料，并可以制成真空夹层，使得整体保温性能良好，并且箱体1内部侧面及底面刻有微槽，对微槽表面做亲水处理，增大微槽的毛细力；对其余表面做疏水处理，用以强化传热工质5的循环，促进传热工质5冷凝后液滴的脱离。
本装置用途广泛，可用在家庭或工业场合上使用；
实施案例一：
应用于家庭场合时，将本装置集热箱21和箱体1放置在光照良好的屋顶，白天时传热工质5可通过在上表面布置的太阳能集热板或外接的太阳能集热装置吸收太阳能，液态传热工质5蒸发而汽化为饱和蒸汽，蒸汽上升至箱体1中上部冷凝放热，细金属管31内的相变材料32通过潜热大量吸热并储存。如需使用热水，只需打开循环泵，白天时取热器4内取热介质吸收传热工质5冷凝放出的一部分热量，储热和加热取热介质同时进行；夜晚时相变材料32放出储存的热量，用以加热取热介质，进行热量传输；
实施案例二：
应用于工业余热回收场合时，本装置的整体的储热、取热可以根据实际要求设计箱体1大小、细金属管31的数量和布置、下部肋片管22的管径等参数；下部肋片管22流通高温烟气、冷却水等，传热工质5吸收来自工业废料的余热而蒸发并汽化为饱和蒸汽，蒸汽在箱体1中上部冷凝，将来自工业余热的热量传递至细金属管31中的相变材料32并储存起来。同样，可以实现相变材料32储热和加热取热介质同时进行；或在无高温烟气流通时，仅依靠相变材料32放出潜热用以加热取热介质。传热工质5的循环和热量的传递可以在较小的温差条件下进行，对工业余热的利用效率高。

Claims (9)

1.一种基于重力热管的分层式相变储热器，其特征在于，包括箱体(1)、热源接收系统(2)、储热系统(3)和取热器(4)；
箱体(1)为左低右高的倾斜设置，储热系统(3)设置在箱体(1)内，包括多个从下至上分层分布的细金属管(31)和封装在细金属管(31)内的相变材料(32)，取热器(4)设置在储热系统(3)的右侧，并且中部位于箱体(1)内；
热源接收系统(2)设置在箱体(1)左端并与其连通，包括集热箱(21)和穿过集热箱(21)内的肋片管(22)，集热箱(21)内设有传热工质(5)，传热工质(5)没过肋片管(22)。
2.根据权利要求1所述的一种基于重力热管的分层式相变储热器，其特征在于，多个细金属管(31)根据直径大小区域性布置，其直径从左至右、从下至上逐渐减小，并且下层细金属管(31)之间间距大于上层细金属管(31)之间间距。
3.根据权利要求2所述的一种基于重力热管的分层式相变储热器，其特征在于，最大细金属管(31)的直径不超过10mm。
4.根据权利要求2所述的一种基于重力热管的分层式相变储热器，其特征在于，所述的箱体(1)采用金属材料，中间布置有玻璃棉。
5.根据权利要求2所述的一种基于重力热管的分层式相变储热器，其特征在于，箱体(1)中间制成真空夹层。
6.根据权利要求2所述的一种基于重力热管的分层式相变储热器，其特征在于，所述箱体(1)内壁的前后侧面和底面设有流水槽，箱体(1)的流水槽表面做亲水处理，其余表面做疏水处理。
7.根据权利要求2所述的一种基于重力热管的分层式相变储热器，其特征在于，所述箱体(1)上表面为翼型凸起。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的一种基于重力热管的分层式相变储热器，其特征在于，所述相变材料(32)为无机相变材料(32)或金属相变材料(32)。
9.根据权利要求1至7任意一项所述的一种基于重力热管的分层式相变储热器，其特征在于，所述集热箱(21)可为太阳能集热板，传热工质(5)可为低沸点的有机工质、多元混合工质。
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