CN111278255A - 基于凝结传热的相变蓄热装置及其关键参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于对流换热的相变蓄热装置及其关键参数确定方法，装置包括冷凝套管与相变蓄热装置外壳；相变蓄热装置外壳上设有蒸汽入口、冷凝套管接口、溢流阀及冷凝液泵；蒸汽入口位于相变蓄热装置外壳的顶角处；冷凝液泵位于蒸汽入口相对的底角处；相变蓄热装置外壳内平行设有至少一组第一蒸汽通道板和第二蒸汽通道板；蒸汽通道板、蒸汽通道板和冷凝液液位将相变蓄热装置外壳内腔分隔成波浪形的多个蒸汽冷凝通道；多个冷凝套管通过冷凝套管接口穿插在相变蓄热装置外壳内；冷凝套管轴向平行于第一蒸汽通道板；每个蒸汽冷凝通道内的冷凝套管沿高度方向上呈波浪形布置。通过参数确定方法可获得相变蓄热装置最终设计，减轻了对散热能力的需求。

Description

基于凝结传热的相变蓄热装置及其关键参数确定方法

技术领域

本发明属于相变蓄热领域，特别是一种基于凝结传热的相变蓄热装置及其关键参数确定方法。

背景技术

对于大功率电子设备的散热问题，由于其表面的热流密度很高，可达100W/cm²～1000W/cm²，常应用微通道流动这一传热强化手段来提高表面传热能力，如专利号201910591725.5的微通道蒸发器。由于微通道中的流动阻力很大，为降低循环水泵设计要求，有必要提高单位体积制冷剂的散热量，而使输入的液态制冷剂沸腾是提高单位体积制冷剂散热量的一种常用手段。

电子设备的散热过程随工作状态改变而浮动较大，表现出峰值热载荷高，平均热载荷低的特点，有必要在电子设备的散热过程中采用蓄热技术，降低对散热能力的要求。由于相变蓄热方法具有蓄热密度大，相变过程温差小的优点，被认为是一种优秀的解决电子设备散热过程中蓄热问题的方法。

相变蓄热是利用材料在相变过程中，因其状态改变而在较小的温度区间内大量吸热(或放热)的一种蓄热技术，具有较高的蓄热密度。目前给出的相变蓄热装置中，如专利号201720508512.8的相变蓄热装置，仅考虑了液相制冷剂输入条件，无法匹配气液混合制冷剂输入时的蓄热需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于凝结传热的相变蓄热装置及其关键参数确定方法，以实现在低换热温差条件下，利用凝结传热方法及相变蓄热特性，将输入的大输入功率、短持续时间、长输入间隔的热流暂存于装置内并转换为低输入功率、长持续时间、连续输入的热流的目的。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于凝结传热的相变蓄热装置，包括冷凝套管与相变蓄热装置外壳；

所述冷凝套管包括内换热管、中间层及外换热管；所述内换热管与外换热管同轴布置；所述向内换热管与外换热管间填充相变蓄热材料作为中间层；

所述相变蓄热装置外壳上设有蒸汽入口、冷凝套管接口、溢流阀及冷凝液泵；所述蒸汽入口位于相变蓄热装置外壳的顶角处；冷凝液泵位于蒸汽入口相对的底角处；所述相变蓄热装置外壳内平行间隔的设有至少一组第一蒸汽通道板和第二蒸汽通道板；所述第一蒸汽通道板上端与相变蓄热装置外壳上端内壁固连，下端与相变蓄热装置外壳上内的冷凝液控制液位的上控制液位设有距离；所述第二蒸汽通道板上端与相变蓄热装置外壳上端设有距离，下端不高于冷凝液控制液位的下控制液位；所述第一蒸汽通道板、第二蒸汽通道板两侧均与相变蓄热装置外壳两侧内壁固连；所述溢流阀高于冷凝液控制液位上控制液位且低于第一蒸汽通道板下端；所述冷凝液泵高于第二蒸汽通道板下端，且低于冷凝液控制液位的上控制液位；所述第一蒸汽通道板、第二蒸汽通道板和冷凝液液位将相变蓄热装置外壳内腔分隔成波浪形的多个蒸汽冷凝通道；多个冷凝套管通过冷凝套管接口穿插在相变蓄热装置外壳内；冷凝套管轴向平行于第一蒸汽通道板；每个蒸汽冷凝通道内的冷凝套管沿高度方向上呈波浪形布置。

一种相变蓄热装置的关键参数的确定方法，包括以下步骤：

步骤1、估算相变蓄热材料相变点及相变蓄热装置冷凝点；

步骤2、计算内换热管尺寸：内换热管壁厚t₁：

其中P₁、d₂、σ_a、a分别为内换热管工作压力、外径、管壁材料许用应力、管壁的加工与腐蚀余量；

内换热管内径d₁：d₁＝d₂-2t₁

步骤3、计算需要的相变蓄热材料体积V：

其中q₁、s₁分别为蒸汽通道输入热量的功率、时间；C₁为相变蓄热材料单位体积储热量；

步骤4、计算内换热管的总传热系数h_C：

其中μ_C、c_C、λ_C、ρ_C、v_C分别为内换热管内制冷剂的动力粘度、等压比热容、导热系数、密度、线流速；h₂为相变蓄热材料的污垢传热系数；λ₁为内换热管管壁所用材料的导热系数；f为相变蓄热材料中膨胀石墨的体积比；λ₂为相变蓄热材料的导热系数；

步骤5、计算冷凝套管总长L：

步骤6、计算外换热管尺寸：

外换热管内径d₃：d₃＝d₂+2e

外换热管外径d₄：

其中σ_b、P2、b分别为外换热管的管壁材料许用应力、工作压力、管壁的加工与腐蚀余量；

外换热管4壁厚t₂为：

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)通过将冷凝过程与相变蓄热过程相结合，使得本发明适用于高热流密度条件下的蓄热工作。

(2)通过在冷凝套管外层设置微肋，增大了换热面积并促使冷凝液滴快速流下，增强了冷凝传热过程；

(3)通过采用膨胀石墨吸附相变蓄热材料的方式，使得相变蓄热材料的热传导过程大大增强，实现了热量快速吸收、快速释放的目的；

(4)为凝结传热过程设置了蒸汽通道及凝结温度两套维持装置，使得相变蓄热装置平稳运行，可以应对复杂工况。

附图说明

图1为相变蓄热装置外壳剖面图。

图2为冷凝套管结构图。

图3为相变蓄热装置装配图。

图4为相变蓄热装置原理图。

图5为冷凝套管接管方案图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1-图3，本发明的一种基于凝结传热的相变蓄热装置，包括冷凝套管3与相变蓄热装置外壳6；

所述冷凝套管3包括内换热管1、中间层2及外换热管4，三者由内向外依次同轴布置，冷凝套管结构图如附图2。

所述相变蓄热装置外壳6设有蒸汽入口5、冷凝液控制液位7、调压阀8、调压泵9、第一蒸汽通道板10、第二蒸汽通道板11、冷凝套管接口12、溢流阀13及冷凝液泵14。整个相变蓄热装置外壳6为长方体结构，蒸汽入口5位于相变蓄热装置外壳6的顶角处；相变蓄热装置外壳6内设有冷凝液控制液位7；调压阀8与调压泵9位于相变蓄热装置外壳6顶部；第一蒸汽通道板10上端连通相变蓄热装置外壳6顶部、下端与冷凝液控制液位7上控制液位保持一定距离，且两侧与相变蓄热装置外壳6两侧内壁连接紧密。第二蒸汽通道板11平行于第一蒸汽通道板10，上端与相变蓄热装置外壳6顶部保持一定距离、下端不高于冷凝液控制液位7的下控制液位，且两侧与相变蓄热装置外壳6两侧内壁连接紧密。冷凝套管接口12位于与蒸汽通道板10、蒸汽通道板11相垂直的相变蓄热装置外壳6两个侧板上，多个冷凝套管3通过冷凝套管接口12穿插在相变蓄热装置外壳6内，使得冷凝套管3轴向平行于第一蒸汽通道板10；蓄热装置外壳6两个侧板上设有多个冷凝套管接口12，冷凝套管接口12高于冷凝液控制液位7下控制液位；溢流阀13位于相变蓄热装置外壳6侧面，高于冷凝液控制液位7上端且低于蒸汽通道板10下端；冷凝液泵14位于与蒸汽入口5顶角相对的相变蓄热装置外壳6底角处且高于第二蒸汽通道板11下端，且低于冷凝液控制液位7的上控制液位。相变蓄热装置外壳剖面图如附图3。

进一步的，冷凝套管3的内换热管1与外换热管4均为紫铜换热管，两换热管作同轴布置并由焊接工艺连接，向内换热管1与外换热管4间填充由膨胀石墨吸附的相变蓄热材料作中间层2，并用树脂密封中间层2的两端。

进一步的，所述的冷凝套管3中，内换热管1外径为3mm～15mm，外换热管4外径为8mm～50mm，外换热管4上设有锯齿状微肋结构，微肋呈螺旋状布置在外换热管4外壁上；微肋最高处0.1mm～1mm，微肋最低处0mm，通过锯齿状的微肋结构，使得外换热管4的冷凝表面积增大，冷凝液滴加速流下，最多使得冷凝传热系数提高1倍。对于部分套管，如不需要强化冷凝传热过程，外换热管也可直接采用光管结构。

进一步的，调压阀8与调压泵9均在相变蓄热装置外壳6有压力探头，如相变蓄热装置外壳6内压力高于设定值，则调压阀8打开泄压；如相变蓄热装置外壳6内压力低于设定值，则调压泵9工作加压；调压阀8与调压泵9维持了相变蓄热装置外壳6内压力的相对稳定，使得自蒸汽入口5输入的蒸汽在固定温度点凝结，该固定的凝结温度点应与相变蓄热材料的相变点相匹配。

进一步的，蒸汽通道板10与蒸汽通道板11自蒸汽入口5向冷凝液泵14方向作均匀间隔排布，所述蒸汽通道板10、蒸汽通道板11和冷凝液液位7将相变蓄热装置外壳6内腔分隔成波浪形的多个蒸汽冷凝通道；溢流阀13与冷凝液泵14均排液不排气，如冷凝液液位上升超出冷凝液控制液位7则冷凝液将自溢流阀13排出以抑制冷凝液液位继续上升，如冷凝液液位下降低于冷凝液控制液位7则冷凝液泵14将停止抽出以抑制冷凝液液位继续下降，由此保持了蒸汽冷凝通道的通畅。

冷凝套管3安装在相变蓄热装置外壳6内后，冷凝套管3的内换热管1自相变蓄热装置外壳6内伸出，相变蓄热装置装配图如附图4，每一行冷凝套管3伸出的内换热管1接为一束并接入制冷循环，冷凝套管接管方案图如附图5。所述相变蓄热装置使用两种制冷剂，其中一种制冷剂在蒸汽通道内工作，工作温度高于相变蓄热材料相变点，工作全程中存在气液两相；另一种制冷剂在冷凝套管3的内换热管1内工作，工作温度低于相变蓄热材料相变点，工作全程中仅有液相。热量以制冷剂蒸汽为介质从该蒸汽通道输入，横略过全部冷凝套管3并以凝结传热的方式将热量释放至冷凝套管中间层2中填充的相变蓄热材料并暂存，最终由冷凝套管3内的制冷循环管路，即内换热管1，以对流传热的形式、液态制冷剂作为介质带走。

一种基于凝结传热的相变蓄热装置的关键参数的确定方法，包括以下步骤：

步骤1、估算相变蓄热材料相变点及相变蓄热装置冷凝点：

根据下述公式估算相变蓄热装置冷凝点T₃及相变蓄热材料相变点T₄：

T₃＝0.4T₁+0.6T₂

T₄＝T₃-5

其中：

T₁为蒸汽通道输入温度；

T₂为内换热管1输入温度；

步骤2、计算内换热管1尺寸

内换热管1采用紫铜换热管，根据下述公式选定内换热管1壁厚t₁，壁厚t₁不足0.25mm的取0.25mm：

其中：

P₁为内换热管1工作压力；

d₂为内换热管1外径；

σ_a为内换热管1管壁材料许用应力；

a为内换热管1管壁的加工与腐蚀余量；

内换热管1内径d₁为：

d₁＝d₂-2t₁

步骤3、计算需要的相变蓄热材料体积

根据下述公式计算相变蓄热装置中需要填充的相变蓄热材料体积V：

其中：

q₁为蒸汽通道输入热量的功率；

s₁为蒸汽通道输入热量的时间；

C₁为相变蓄热材料单位体积储热量；

步骤4、计算内换热管1的总传热系数h_C

给定中间层2的厚度e，根据下述公式计算内换热管1的总传热系数h_C：

其中：

μ_C为内换热管1内制冷剂动力粘度；

c_C为内换热管1内制冷剂等压比热容；

λ_C为内换热管1内制冷剂导热系数；

ρ_C为内换热管1内制冷剂密度；

v_C为内换热管1内制冷剂线流速；

h₂为相变蓄热材料的污垢传热系数；

λ₁为内换热管1管壁所用材料的导热系数；

f为相变蓄热材料中膨胀石墨的体积比；

λ₂为膨胀石墨吸附后相变蓄热材料6的导热系数；

步骤5、计算冷凝套管3总长L

根据下述公式计算冷凝套管3总长L：

步骤6、计算外换热管4尺寸

外换热管4内径d₃与外径d₄分别由下述公式确定：

d₃＝d₂+2e

其中：

σ_b为外换热管4管壁材料许用应力；

P2为外换热管4工作压力；

b为外换热管4管壁的加工与腐蚀余量；

外换热管4壁厚t₂为：

步骤7、计算微肋肋高

根据下述公式计算外换热管4的冷凝传热系数h₅：

其中：

r为蒸汽通道内制冷剂的汽化潜热；

g为重力加速度；

λ_l为蒸汽通道内制冷剂的液态导热系数；

ρ_l为蒸汽通道内制冷剂的液态密度；

ρ_G为蒸汽通道内制冷剂的气态密度；

n_l为蒸汽通道内制冷剂的液态动力粘度；

根据下述公式计算外换热管4需要的冷凝传热系数h₅′为：

其中：

λ₃为外换热管4管壁所用材料的导热系数；

如h₅′<h₅，冷凝套管3采用光滑外换热管4；

如h₅′>h₅且h₅′<2h₅，微肋高t₃可通过下述公式计算：

其中：t₄为微肋极限高，取1mm；

如h₅′>2h₅，减小中间层2厚度e，自步骤4开始重新计算；

步骤8、依据上述计算结果形成相变蓄热装置设计方案。

实施例

本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

设计条件为热载荷峰值300kW，持续6s，间隔100s。蒸汽入口5输入温度为10℃，内换热管1输入温度为-25℃。

依据上述计算步骤，进行相变蓄热装置参数计算。

步骤1、估算并取整得相变蓄热装置冷凝点T₃为-10℃，相变点T₄为-15℃；

步骤2、选择内换热管1外径d₂为3mm，计算得壁厚t₁为0.25mm；

步骤3、计算得需要填充相变蓄热材料体积V为11.6L；

步骤4、计算得内换热管1的总传热系数h_C为2.12kW/(m²*K)；

步骤5、计算得冷凝套管3总长L为344m；

步骤6、计算得外换热管4外径d₄为8mm，壁厚t₂为0.25mm；

步骤7、计算得外换热管4的实际冷凝传热系数h₅为1.84kW/(m²*K)，需要的冷凝传热系数h₅′为2.47kW/(m²*K)，微肋高t₃取0.35mm；

步骤8、依据上述计算结果设计相变蓄热装置，得到的样品总重为60kg，体积为95L；

该装置实现了将300kW、持续6s、间隔100s且工作介质为气态的脉冲热载荷转变为18kW的平稳热载荷输出的设计目标，降低了散热能力的需要。

Claims (7)

1.一种基于凝结传热的相变蓄热装置，其特征在于，包括冷凝套管(3)与相变蓄热装置外壳(6)；

所述冷凝套管(3)包括内换热管(1)、中间层(2)及外换热管(4)；所述内换热管(1)与外换热管(4)同轴布置；所述向内换热管(1)与外换热管(4)间填充相变蓄热材料作为中间层(2)；

所述相变蓄热装置外壳(6)上设有蒸汽入口(5)、冷凝套管接口(12)、溢流阀(13)及冷凝液泵(14)；所述蒸汽入口(5)位于相变蓄热装置外壳(6)的顶角处；冷凝液泵(14)位于蒸汽入口(5)相对的底角处；所述相变蓄热装置外壳(6)内平行间隔的设有至少一组第一蒸汽通道板(10)和第二蒸汽通道板(11)；所述第一蒸汽通道板(10)上端与相变蓄热装置外壳(6)上端内壁固连，下端与相变蓄热装置外壳(6)上内的冷凝液控制液位(7)的上控制液位设有距离；所述第二蒸汽通道板(11)上端与相变蓄热装置外壳(6)上端设有距离，下端不高于冷凝液控制液位(7)的下控制液位；所述第一蒸汽通道板(10)、第二蒸汽通道板(11)两侧均与相变蓄热装置外壳(6)两侧内壁固连；所述溢流阀(13)高于冷凝液控制液位(7)上控制液位且低于第一蒸汽通道板(10)下端；所述冷凝液泵(14)高于第二蒸汽通道板(11)下端，且低于冷凝液控制液位(7)的上控制液位；所述第一蒸汽通道板(10)、第二蒸汽通道板(11)和冷凝液液位(7)将相变蓄热装置外壳(6)内腔分隔成波浪形的多个蒸汽冷凝通道；多个冷凝套管(3)通过冷凝套管接口(12)穿插在相变蓄热装置外壳(6)内；冷凝套管(3)轴向平行于第一蒸汽通道板(10)；每个蒸汽冷凝通道内的冷凝套管(3)沿高度方向上呈波浪形布置。

2.根据权利要求1所述的基于凝结传热的相变蓄热装置，其特征在于，相变蓄热装置外壳(6)上还设有调压阀(8)和调压泵(9)；所述调压阀(8)与调压泵(9)均位于相变蓄热装置外壳(6)顶部；所述调压阀(8)与调压泵(9)均在相变蓄热装置外壳(6)设有压力探头，当相变蓄热装置外壳(6)内压力高于设定值，则调压阀(8)打开泄压；当相变蓄热装置外壳(6)内压力低于设定值，则调压泵(9)工作加压。

3.根据权利要求1所述的基于凝结传热的相变蓄热装置，其特征在于，所述冷凝套管(3)的内换热管(1)与外换热管(4)均为紫铜换热管，并用树脂密封中间层(2)的两端。

4.根据权利要求1所述的基于凝结传热的相变蓄热装置，其特征在于，外换热管(4)上设有锯齿状微肋结构，微肋呈螺旋状布置在外换热管(4)外壁上。

5.根据权利要求1所述的基于凝结传热的相变蓄热装置，其特征在于，所述内换热管(1)外径为3mm～15mm；外换热管(4)外径为8mm～50mm；微肋最高处0.1mm～1mm，微肋最低处0mm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的相变蓄热装置的关键参数的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、估算相变蓄热材料相变点及相变蓄热装置冷凝点；

步骤2、计算内换热管尺寸：内换热管壁厚t₁：

其中P₁、d₂、σ_a、a分别为内换热管工作压力、外径、管壁材料许用应力、管壁的加工与腐蚀余量；

内换热管内径d₁：d₁＝d₂-2t₁

步骤3、计算需要的相变蓄热材料体积V：

其中q₁、s₁分别为蒸汽通道输入热量的功率、时间；C₁为相变蓄热材料单位体积储热量；

步骤4、计算内换热管的总传热系数h_C：

其中μ_C、c_C、λ_C、ρ_C、v_C分别为内换热管内制冷剂的动力粘度、等压比热容、导热系数、密度、线流速；h₂为相变蓄热材料的污垢传热系数；λ₁为内换热管管壁所用材料的导热系数；f为相变蓄热材料中膨胀石墨的体积比；λ₂为相变蓄热材料的导热系数；

步骤5、计算冷凝套管总长L：

步骤6、计算外换热管尺寸：

外换热管内径d₃：d₃＝d₂+2e

外换热管外径d₄：

其中σ_b、P₂、b分别为外换热管的管壁材料许用应力、工作压力、管壁的加工与腐蚀余量；

外换热管4壁厚t₂为：

7.根据权利要求6所述的关键参数的确定方法，其特征在于，还包括步骤7计算微肋肋高：

计算外换热管4的冷凝传热系数h₅：

其中为蒸汽通道内制冷剂的汽化潜热；g为重力加速度；λ_l为蒸汽通道内制冷剂的液态导热系数；ρ_l、；ρ_G、n_l分别为蒸汽通道内制冷剂的液态密度、气态密度和液态动力粘度；

计算外换热管4需要的冷凝传热系数h₅′为：

其中λ₃为外换热管4管壁所用材料的导热系数；

如h₅′＜h₅，冷凝套管3采用光滑外换热管4；如h₅′＞h₅且h₅′＜2h₅，微肋高t₃通过下述公式计算：

如h₅′＞2h₅，减小中间层2厚度e，自步骤4开始重新计算；其中t₄为微肋极限高。

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