CN111765791A - 基于振动强化传热的相变储热装置及方法 - Google Patents

基于振动强化传热的相变储热装置及方法 Download PDF

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蒲文灏
杨宇
韩东
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    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Abstract

本发明公开了一种基于振动强化传热的相变储热装置及方法，相变储热装置包含固定筒、壳体、M根振动杆、N根导热管、以及激励源。在相变材料储热或放热时，激励源带动振动杆振动，振动杆的振动传递给泡沫金属，从而使得在泡沫金属孔隙内部的液态相变材料因振动加强环流，从而加快了与泡沫金属的换热；固液相变界面的相变材料因振动加强对流换热而加速融化/凝固。本发明能够显著提高泡沫金属/相变复合材料的导热系数。

Description

基于振动强化传热的相变储热装置及方法
技术领域
本发明涉及强化换热技术领域，尤其涉及一种基于振动强化传热的相变储热装置及方法。
背景技术
相变储热装置利用相变材料实现热能的储存与释放。固液相变材料具有如下温度特性：吸热过程：温度升高达到相变温度时，固态相变材料融化成液态相变材料从而吸收热量，液态相变材料的热量在固液相变界面通过对流和传导的方式将热量传递给固态相变材料使固态相变材料融化。放热过程：温度降低到相变温度时，液态相变材料凝固成固态相变材料从而释放热量，液态相变材料的热量在固液相变界面通过对流和传导的方式将热量传递给固态相变材料使液态相变材料凝固。
相变材料在经历相变储放热时存在着固液相变界面，该界面的存在大大增加了固体与液体间的换热热阻，因此亟需提供一种破坏固液相变界面的方法从而加强换热。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于振动强化传热的相变储热装置及方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
基于振动强化传热的相变储热装置，包含固定筒、壳体、M根振动杆、N根导热管、以及激励源，M、N均为大于等于1的自然数；
所述固定筒为两端开口的空心圆柱体；所述壳体为两端封闭的空心圆柱体，且壳体的两个端面上均设有和N根导热管一一对应的通孔；
所述N根导热管设置在所述壳体内，两端分别在壳体的两个端面对应的通孔伸出、且导热管和壳体的两个端面密闭相连；
所述M根振动杆均设置在所述壳体内，两端均和所述激励源电气相连形成闭合电路；
所述壳体内填充有泡沫金属、固定住导热管和振动杆，且泡沫金属的泡沫气孔内填充有相变材料；
所述固定筒和外界固定，所述壳体设置在在固定筒中，且壳体的外壁、固定筒的内壁之间均有设有若干弹簧，所述弹簧的两端分别和壳体的外壁、固定筒的内壁固连。
作为本发明一种基于振动强化传热的相变储热装置进一步的优化方案，所述导热管两端均通过柔性套管和外部管道相联通。
作为本发明一种基于振动强化传热的相变储热装置进一步的优化方案，所述泡沫金属采用铜、铁、铝、镍、银、钛中的任意一种制成。
作为本发明一种基于振动强化传热的相变储热装置进一步的优化方案，所述M根振动杆、N根导热管均平行设置，且都均匀设置在所述壳体内。
本发明还公开了一种该基于振动强化传热的相变储热装置的储热方法，包含以下过程：
换热流体经过各个导热管，换热流体传递走热量后温度降低；导热管将热量传递到泡沫金属泡沫气孔中的相变材料，靠近导热管的相变材料吸收热量后融化；
激励源驱动各个振动杆振动，振动杆的振动传递给泡沫金属；固液相变界面的相变材料因振动加强对流换热而加速融化，在泡沫金属孔隙内部的液态相变材料因振动加强环流，从而加快了与泡沫金属的换热，强化了储热。
本发明还公开了一种该基于振动强化传热的相变储热装置的放热方法，包含以下过程：
相变材料通过泡沫金属将热量传递给各个导热管，靠近导热管的相变材料优先凝固；
激励源驱动各个振动杆振动，振动杆的振动传递给泡沫金属；固液相变界面的相变材料因振动加强对流换热而加速凝固，在泡沫金属孔隙内部的液态相变材料因振动加强环流，从而加快了与泡沫金属的换热，强化了放热。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明公开了一种基于振动强化传热的相变储热装置及其运行方法，增强了相变换热时的换热速率。
附图说明
图1是本专利的系统示意图。
图中，1-振动杆，2-导线，3-激励源，4-换热流体入口，5-换热流体出口，6-壳体，7-泡沫金属，8-相变材料，9-导热管，10-换热流体，11-固定筒，12-弹簧，13-外部管道，14-柔性套管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1所示，本发明公开了一种基于振动强化传热的相变储热装置，包含固定筒、壳体、M根振动杆、N根导热管、以及激励源，M、N均为大于等于1的自然数；
所述固定筒为两端开口的空心圆柱体；所述壳体为两端封闭的空心圆柱体，且壳体的两个端面上均设有和N根导热管一一对应的通孔；
所述N根导热管设置在所述壳体内，两端分别在壳体的两个端面对应的通孔伸出、且导热管和壳体的两个端面密闭相连；
所述M根振动杆均设置在所述壳体内，两端均和所述激励源电气相连形成闭合电路；
所述壳体内填充有泡沫金属、固定住导热管和振动杆，且泡沫金属的泡沫气孔内填充有相变材料；
所述固定筒和外界固定，所述壳体设置在在固定筒中，且壳体的外壁、固定筒的内壁之间均有设有若干弹簧，所述弹簧的两端分别和壳体的外壁、固定筒的内壁固连。振动杆振动时带动壳体振动，从而进一步引起弹簧伸缩，使得固定筒不会随壳体的振动而振动。
所述导热管两端均通过柔性套管和外部管道相联通。
所述相变材料是指能够在液态和固态间转化时吸收或放出大量潜热的物质，包括无机相变材料或有机相变材料；其中无机相变材料包括盐类、水合盐类或合金类，有机相变材料包括石蜡类、脂肪酸类或醇类脂类。
所述泡沫金属是指含有泡沫气孔的特种金属材料，包括铜、铁、铝、镍、银、钛金属材质；这类能够导热的金属使振动能够传递并增强导热。
所述M根振动杆、N根导热管均平行设置，且都均匀设置在所述壳体内。
本发明还公开了一种该基于振动强化传热的相变储热装置的储热方法，包含以下过程：
换热流体经过各个导热管，换热流体传递走热量后温度降低；导热管将热量传递到泡沫金属泡沫气孔中的相变材料，靠近导热管的相变材料吸收热量后融化；
激励源驱动各个振动杆振动，振动杆的振动传递给泡沫金属；固液相变界面的相变材料因振动加强对流换热而加速融化，在泡沫金属孔隙内部的液态相变材料因振动加强环流，从而加快了与泡沫金属的换热，强化了储热。
本发明还公开了一种该基于振动强化传热的相变储热装置的放热方法，包含以下过程：
相变材料通过泡沫金属将热量传递给各个导热管，靠近导热管的相变材料优先凝固；
激励源驱动各个振动杆振动，振动杆的振动传递给泡沫金属；固液相变界面的相变材料因振动加强对流换热而加速凝固，在泡沫金属孔隙内部的液态相变材料因振动加强环流，从而加快了与泡沫金属的换热，强化了放热。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，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，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，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 (6)

1.基于振动强化传热的相变储热装置，其特征在于，包含固定筒、壳体、M根振动杆、N根导热管、以及激励源，M、N均为大于等于1的自然数；
所述固定筒为两端开口的空心圆柱体；所述壳体为两端封闭的空心圆柱体，且壳体的两个端面上均设有和N根导热管一一对应的通孔；
所述N根导热管设置在所述壳体内，两端分别在壳体的两个端面对应的通孔伸出、且导热管和壳体的两个端面密闭相连；
所述M根振动杆均设置在所述壳体内，两端均和所述激励源电气相连形成闭合电路；
所述壳体内填充有泡沫金属、固定住导热管和振动杆，且泡沫金属的泡沫气孔内填充有相变材料；
所述固定筒和外界固定，所述壳体设置在在固定筒中，且壳体的外壁、固定筒的内壁之间均有设有若干弹簧，所述弹簧的两端分别和壳体的外壁、固定筒的内壁固连。
2.根据权利要求1所述的基于振动强化传热的相变储热装置，其特征在于，所述导热管两端均通过柔性套管和外部管道相联通。
3.根据权利要求1所述的基于振动强化传热的相变储热装置，其特征在于，所述泡沫金属采用铜、铁、铝、镍、银、钛中的任意一种制成。
4.根据权利要求1所述的基于振动强化传热的相变储热装置，其特征在于，所述M根振动杆、N根导热管均平行设置，且都均匀设置在所述壳体内。
5.基于权利要求1所述的基于振动强化传热的相变储热装置的储热方法，其特征在于，包含以下过程：
换热流体经过各个导热管，换热流体传递走热量后温度降低；导热管将热量传递到泡沫金属泡沫气孔中的相变材料，靠近导热管的相变材料吸收热量后融化；
激励源驱动各个振动杆振动，振动杆的振动传递给泡沫金属；固液相变界面的相变材料因振动加强对流换热而加速融化，在泡沫金属孔隙内部的液态相变材料因振动加强环流，从而加快了与泡沫金属的换热，强化了储热。
6.基于权利要求1所述的基于振动强化传热的相变储热装置的放热方法，其特征在于，包含以下过程：
相变材料通过泡沫金属将热量传递给各个导热管，靠近导热管的相变材料优先凝固；
激励源驱动各个振动杆振动，振动杆的振动传递给泡沫金属；固液相变界面的相变材料因振动加强对流换热而加速凝固，在泡沫金属孔隙内部的液态相变材料因振动加强环流，从而加快了与泡沫金属的换热，强化了放热。
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