CN111397419A - 一种多重网格化相变储能装置、泵驱换热系统及换热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多重网格化相变储能装置、泵驱换热系统及换热方法，多重网格化相变储能装置由壳体、传热管道、泡沫金属及相变材料组成，多重网格化相变储能装置中的传热管道包括入口管段、出口管段以及入口管段与出口管段之间的换热管段；换热管段对称的分布在壳体内部，水平方向管段为多重网格化结构，不同级换热管段的管长和管径根据仿生学原理构成，从而构造出从中心到四周的最佳热流通道。本发明多重网格化相变储能装置作为泵驱回路的散热冷端，能够在极端散热环境下满足高功耗、间歇性工作设备的热管理需求。

Description

一种多重网格化相变储能装置、泵驱换热系统及换热方法

技术领域

本发明涉及相变储能技术领域，具体涉及的是一种为了应对短时间内高散热需求对象而设计的具有多重网格化结构特征的相变储能装置及其泵驱换热系统。

背景技术

国防军事实力在各国综合国力的对比中占有很大比重，各国在军事科技方面的发展日新月异，为了满足现代化军事战略的需求，例如激光武器等高能设备得到了快速的发展。不仅能量的消耗量剧增，而且由于设备集成化程度的进一步增加，在有限空间内的散热指标剧增，散热条件也受限。针对一些间歇性工作的设备，例如激光武器的瞬时工作功率可达兆瓦级别，但是每次的工作时间很短，这种场所的散热负荷变化剧烈，普通的风冷条件难以满足，而采用直接液体冷却会使得冷却系统体积增大，且较难循环利用等缺点，因此采用相变储能的方式，可以很好的协调热量在时间上的不一致性。

受分形理论及高效热管理发展趋势的启发，为了实现热量的快速存取，本发明将换热管段设计成多重网格化结构，并结合泡沫金属的高导热高均温性能，进一步加强装置的均温性能，设计成一套基于相变储能装置的泵驱换热系统，从而实现热量的快速存取。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种基于多重网格化相变储能装置的泵驱换热系统，该装置优化了换热管段的结构，同时结合泡沫金属和相变储能的优势，利用强制泵驱环路进行热量输送，能够满足极端散热环境下，间歇性或周期性工作的高功耗、高热流密度设备良好的热管理需求。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：

一种多重网格化相变储能装置，包括：

壳体；

换热管道，包括：入口管段、出口管段以及位于入口管段与出口管段之间的换热管段，其中，所述的入口管段和所述的出口管段的管径最大，且分布在壳体的两侧；

所述的换热管段位于所述的壳体内，载冷剂在所述的换热管道内流动，所述的壳体和所述的换热管道之间的空隙填充所述的泡沫金属，所述的泡沫金属孔隙内填充所述的相变材料；

所述的换热管段为由水平方向管段和竖直方向管段组合而成的多重网格化结构，水平方向管段为至少两级传热流体支管，对称的分布在所述的壳体内部，其网格化级数为m，m≥2的整数，相邻两级换热管段的上级换热管段的四个角点分别连接四个下级换热管段，即发散系数N=4；

下级换热管段的中心位于上一级换热管段的顶角；

最后一级流体支管的向心斜对角点为竖直方向管段的连接点，连接两侧的水平管段部分。

所述换热管段水平方向的管段呈网状结构分布，末级流体支管通过竖直管段与壳体两侧的水平管段相连接。

所述换热管道的管长满足构型原理L_j=L₁A_L ^j，(j=1,2,…,N-1)，式中，

L₁为第一级换热管段的长度；

A_L为上、下两级换热管段的边长比，取决于最大网格与最小网格的相对大小，通常A_L≤1；

所述的换热管段的管径满足默里定律R_j=R₁(1/2)^j，(j=1,2,…,N-1)，式中，

R₁为第一级换热管段的管径。

所述的壳体为长方体形状，内部填充保温材料；

所述的泡沫金属采用高导热系数的金属；

所述相变材料为固液相变材料；

所述的载冷剂为热量传递的媒介在储能系统里循环。

所述泡沫金属包括紫铜、铝或二者的结合。

所述相变材料包括石蜡、水、共晶盐或及其结合。

一种泵驱换热系统，包括相变储能装置、设备换热环路和储能装置换热环路，其中，所述相变储能装置采用所述的多重网格化相变储能装置。

一种基于所述泵驱换热系统的换热方法，当设备处于工作状态需要散热时，流体经过机械泵加压流动后进入蒸发器进行沸腾换热，换热后的流体进入多重网格化相变储能装置进行冷却，热能存储到相变材料中；

若设备处于极端寒冷环境中且不工作时，此时设备换热环路开始工作，将相变材料中的热量提取出来用于保温，以便维持设备正常工作，环路中的储液罐用于系统温度控制，预热器用于提高流体入口温度至饱和状态从而增强换热。

当设备处于不工作状态，且不处于寒冷环境中时，设备换热环路的阀门关闭，储能装置环路的阀门打开，通过冷凝器将多重网格化相变储能装纸的热量逐渐散到环境中去，从而降低冷凝端的散热要求。

有益效果：

本发明一种多重网格化相变储能装置，该多重网格化相变储能装置中的网状流道结构遵循仿生学原理由点到面进行构造，能有效的减小系统的流动阻力，起到强化传热的作用。通过末级竖直管段连接两侧的水平管段能将壳体分割成许多相对独立的换热单元，有效减少了壳体内的换热死区。

同时采用泡沫金属作为相变材料的支撑骨架，让相变材料填充到泡沫金属的孔隙中，利用泡沫金属的高导热性能提高热量在相变材料中的传递速度，能够在更短的时间内充分利用相变材料的潜热，提高了装置的均温性。

由于相变材料可以重复利用，既可以作为热源的散热冷端，也可以作为设备加热热源，将其结合强制液冷回路形成泵驱换热系统，能满足极端环境下高功耗及间歇性工作设备的热管理需求。

附图说明

图1 泵驱换热环路系统图；

图2 多重网格化相变储能装置三维示意图；

图3多重网格化相变储能装置二维截面图；

图4 网格化级数m=1的流道示意图；

图5 网格化级数m=2的流道示意图；

图6 网格化级数m=3的流道示意图；

图7 换热管道三维示意图；

其中，1.壳体；2.换热管道；3.泡沫金属；4.相变材料；5.入口管段；6.出口管段；7.换热管段；8.机械泵；9.预热器；10.蒸发器；11.储液罐；12.多重网格化相变储能装置；13.冷凝器。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细的描述：

图1为本发明中多重网格化相变储能装置的泵驱换热环路系统图。如图所示，该系统包括设备换热环路和储能装置换热环路。设备换热环路包括机械泵8、预热器9、蒸发器10、储液罐11、多重网格化相变储能装置12等组成；回路可以是单独热源，也可以是分布式热源，当设备处于工作状态需要散热时，流体经过机械泵8加压流动后进入蒸发器10进行沸腾换热，换热后的流体进入多重网格化相变储能装置12进行冷却，热能存储到相变材料4中；若设备处于极端寒冷环境中且不工作时，此时设备换热环路开始工作，将相变材料4中的热量提取出来用于保温，以便维持设备正常工作，环路中的储液罐11用于系统温度控制，预热器9用于提高流体入口温度至饱和状态从而增强换热。储能装置换热环路包括机械泵8，冷凝器13及多重网格化相变储能装置12等；当设备处于不工作状态，且不处于寒冷环境中时，设备换热环路的阀门关闭，储能装置环路的阀门打开，通过冷凝器13将多重网格化相变储能装纸12的热量逐渐散到环境中去，从而降低了冷凝端的散热要求。

图2为多重网格化相变储能装置的三维示意图。如图所示，多重网格化相变储能装置由壳体1、换热管道2、泡沫金属3和相变材料4组成。换热管道2对称的分布在壳体1内部，换热管道2水平方向的管段呈网状结构分布，末级流体支管通过竖直管段与壳体1两侧的水平管段相连接。壳体1与换热管道2之间的空隙充满泡沫金属3充当导热骨架，相变材料4填充到泡沫金属3的孔隙中。

图3为多重网格化相变储能装置的二维截面图。如图所示，壳体1内填充保温材料以减少热量损失，换热管道2的水平方向管段为分形网状结构，不同级换热管段7的管径和管长根据仿生学原理设计，末级换热管段7的向心斜对角点为竖直管段的连接点。

网状分布的换热管道2将相变材料4分割成许多单元体，减少了换热死区，同时泡沫金属3具有非常高的导热性能，大幅提升了系统的均温性，减小了相变材料内部的温度梯度。

图4、图5、图6为不同级的分形网状流道示意图。如图所示，入口管段位于中心位置，并向四周延伸出第一级换热管段7，各级换热管段7的管长和管径根据仿生学原理进行构造。图4、图5和图6依次给出了级数为1、2、3的网格结构，为了增强换热效果，应至少满足2级子网格数量，从中可以直观的看出每一级母网格将分出4个下一级子网格，即发散系数N=4，每个子网格的中心位于母网格的顶点。

换热管道的管长满足构型原理L_j=L₁A_L ^j，(j=1,2,…,N-1)，式中L₁为第一级换热管段7的长度，A_L为上下两级换热管段7的边长比，取决于最大网格与最小网格的相对大小，通常A_L≤1；

换热管道的管径满足默里定律R_j=R₁(1/2)^j，(j=1,2,…,N-1)，式中R₁为第一级换热管段的管径。本发明不同级所述的换热管段的管径和管长按照一定的比例关系生成，从而构造出从中心到四周的最佳热流通道。

图7为换热管道的三维示意图。如图所示，换热管道2包括入口管段5、出口管段6以及换热管段7。换热管段7包括水平管段和竖直管段两部分，水平管段末级子网格的向心斜对角点为竖直管段的连接点，用于连接上下两侧的水平管段。

这种设计方案能够在相同的换热效果下有效的减小系统的流动阻力，从而增强管内外工质热量交换的强度。

所述的泡沫金属为高导热性能的金属制成，如：紫铜、铝等，根据设备的功耗情况选择相应的孔隙率，以保证系统的吸热量能满足要求。用所述的泡沫金属为导热骨架，极大的提升了装置的均温性能，在有限空间内大幅提高系统的换热效率，有效加速了热量在所述相变材料内部的扩散。

本发明采用相变材料作为储能介质，储能密度大幅增加，同时在相变过程中温度基本一致，提高了设备换热的稳定性，同时由于相变材料科重复利用，特别适合间歇性或周期性工作的设备；所述的相变材料为固液相变材料，根据使用环境选取不同凝固点的材料，如：石蜡、水、共晶盐等，可用作高热源的散热冷端，也可以为设备在极端低温工作时提供加热热源。

所述的设备换热环路包括蒸发器、预热器、储液罐、机械泵及相关阀门管件等构成，蒸发器形式依据设备散热的需求选取，例如：微通道流动沸腾、喷雾冷却、射流冲击冷却等，且根据热源的数量可以设置多个所述的蒸发器构成分布式热源散热回路。当设备需要散热时，所述的分形相变储能装置充当冷凝器，当设备处在极端寒冷环境工作时，所述的分形相变储能装置充当蒸发器吸热。

所述的储能装置换热环路包括冷凝器、机械泵及相关阀门管件等构成，主要满足设备停止工作时，且不需要加热的情况下所述的分形相变储能装置的散热用途，以便满足设备再次启动时的散热需求。

所述的载冷剂具有物性稳定、冻结温度低的特点，例如丙酮、二氧化碳、氨水等。即用于循环冷却设备的热源，通过管路的调控，也可用于循环冷却所述分形储能装置所储存的热量。

Claims (8)

1.一种多重网格化相变储能装置，包括：

壳体；

换热管道，包括：入口管段、出口管段以及位于入口管段与出口管段之间的换热管段，其中，所述的入口管段和所述的出口管段的管径最大，且分布在壳体的两侧；

所述的换热管段位于所述的壳体内，载冷剂在所述的换热管道内流动，所述的壳体和所述的换热管道之间的空隙填充所述的泡沫金属，所述的泡沫金属孔隙内填充所述的相变材料；

其特征在于：所述的换热管段为由水平方向管段和竖直方向管段组合而成的多重网格化结构，水平方向管段为至少两级传热流体支管，对称的分布在所述的壳体内部，其网格化级数为m，m≥2的整数，相邻两级换热管段的上级换热管段的四个角点分别连接四个下级换热管段，即发散系数N=4；

下级换热管段的中心位于上一级换热管段的顶角；

最后一级流体支管的向心斜对角点为竖直方向管段的连接点，连接两侧的水平管段部分。

2.根据权利要求1所述的多重网格化相变储能装置，其特征在于：所述换热管段水平方向的管段呈网状结构分布，末级流体支管通过竖直管段与壳体两侧的水平管段相连接。

3.根据权利要求1所述的多重网格化相变储能装置，其特征在于：所述的换热管道的管长满足构型原理L_j=L₁A_L ^j，(j=1,2,…,N-1)，式中，

L₁为第一级换热管段的长度，

A_L为上、下两级换热管段的边长比，取决于最大网格与最小网格的相对大小，通常A_L≤1；

所述的换热管段的管径满足默里定律R_j=R₁(1/2)^j，(j=1,2,…,N-1)，式中，

R₁为第一级换热管段的管径。

4.根据权利要求1所述的多重网格化相变储能装置，其特征在于：所述的壳体为长方体形状，内部填充保温材料；

所述的泡沫金属采用高导热系数的金属；

所述相变材料为固液相变材料；

所述的载冷剂为热量传递的媒介在储能系统里循环。

5.根据权利要求4所述的多重网格化相变储能装置，其特征在于：所述泡沫金属包括紫铜、铝或二者的结合。

6.根据权利要求4所述的多重网格化相变储能装置，其特征在于：所述相变材料包括石蜡、水、共晶盐或及其结合。

7.一种泵驱换热系统，包括相变储能装置、设备换热环路和储能装置换热环路，其中，所述相变储能装置采用如权利要求1~6中任一所述的多重网格化相变储能装置。

8.一种基于权利要求7所述泵驱换热系统的换热方法，其特征在于，当设备处于工作状态需要散热时，流体经过机械泵加压流动后进入蒸发器进行沸腾换热，换热后的流体进入多重网格化相变储能装置进行冷却，热能存储到相变材料中；

若设备处于极端寒冷环境中且不工作时，此时设备换热环路开始工作，将相变材料中的热量提取出来用于保温，以便维持设备正常工作，环路中的储液罐用于系统温度控制，预热器用于提高流体入口温度至饱和状态从而增强换热；

当设备处于不工作状态，且不处于寒冷环境中时，设备换热环路的阀门关闭，储能装置环路的阀门打开，通过冷凝器将多重网格化相变储能装纸的热量逐渐散到环境中去，从而降低冷凝端的散热要求。

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