CN112414193B - 一种内置翅片的多级联相变储热装置及强化传热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置翅片的多级联相变储热装置及强化传热方法，该多级联相变储热装置包括：相变材料、相变储热单元、导热流体、导热流体通道和翅片；导热流体通过导热流体通道流经各级相变储热单元；翅片内置于各级相变储热单元的相变材料侧且紧挨导热流体通道外壁面。通过以上方式，本发明装置可根据各级相变材料充放热性能的不同，对充放热性能较差的相变材料容器布置数量较多的翅片，而对充放热性能较好的相变材料容器布置数量较少的翅片，进一步根据各级相变容器的充放热过程对其内部的翅片采用非等间距、非等高度或非等厚度布置，最终以较少翅片的代价，实现多级联相变储热装置整体高效的强化传热。

Description

一种内置翅片的多级联相变储热装置及强化传热方法

技术领域

本发明涉及一种内置翅片的多级联相变储热装置及强化传热方法；属于翅片强化传热技术和相变储热系统应用领域。

背景技术

近几十年，可再生能源被认为是缓解急剧增长的能源需求和传统化石能源所带来的环境问题的最有效方法。太阳能作为一种储量巨大且清洁的可再生能源，是十分有前景的替代能源。在太阳能利用的各项技术中，聚光太阳能热发电技术因其可再生和可调度而受到广泛关注，而且，聚光太阳能电站易与储热系统(TES)集成，这大大提高了其灵活性和竞争力。

相变储热在熔化和凝固过程中温度近似恒定，且储热密度较高，这使得系统体积更小，成本更低。然而相变材料作为相变储热系统的核心，其导热系数通常较低，这限制了相变储热系统的传热速率和效率。为了克服这一缺点，学者们从强化传热和系统设计两个方面开展研究工作。而在实际应用中，通常采取多项技术结合的方式来满足传热速率要求，翅片强化传热技术虽然被众多学者研究，但是其在级联式相变储热系统中的应用并没有被广泛研究，因此，基于级联式相变储热系统的传热特性，设计对应的翅片布置方案以提高传热速率是必要的。

如现有技术：中国专利，其申请号：201820891815 .7公告号：CN 208579423 U公开一种高效热交换相变换热器、变形翅片及相变储能箱。变形翅片包括至少两个纵向区域，在其中每个纵向区域内该片变形翅片具有与相变换热器的各根热管横管相交界并供各根热管横管穿过的通孔，且在每个纵向区域内，变形翅片在与每根热管横管的交界处翅片的厚度最小；随着变形翅片在所述纵向区域内以与每根热管横管的交界处为中心，向上下两侧分别延伸，翅片的厚度逐渐增加。虽然该现有技术翅片厚度逐渐增加形式，但是，经过对该发明实验论证，该发明无法满足传热速度的要求，因此急需一种多级联相变储热装置及其传热方法。

发明内容

有鉴于此，本发明针对上述问题提供一种内置翅片的多级联相变储热装置及强化传热方法，该设计方案可以使级联式相变储热系统获得更高的传热速率，节约材料，降低成本。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种内置翅片的多级联相变储热装置，包括多级联相变储热单元，其特征为：每级所述相变储热单元内填装一种相变材料；所述相变材料按相变温度从高到低排列；各级相变储热单元内设置翅片的参数不同。

本发明还公开一种内置翅片的多级联相变储热装置的强化传热方法。

包括如下步骤：

步骤1：:利用ANSYS Fluent软件模拟内置均匀数量翅片的多级联相变储热装置的充放热过程，记录各级相变储热单元的充放热时间，比较在不同翅片数量工况下的充放热时间，从而确定翅片总数；

步骤2：利用ANSYS Fluent软件模拟内置均匀高度翅片的多级联相变储热装置的充放热过程，记录各级相变储热单元的充放热时间，比较在不同翅片高度工况下的充放热时间，确定最优的翅片高度；

步骤3：在一定的翅片总数前提下，适当增加充放热时间最长那一级相变储热单元的翅片数量，同时减小充放热时间最短那一级相变储热单元的翅片数量，从而缩短多级联相变储热装置整体的充放热时间；

步骤4：基于相变储热单元内充/放热过程中相变材料的熔化和凝固特点，进一步优化充放热时间最长那一级相变储热单元内的翅片的间距和高度布置参数。

有益效果：

1. 每级所述相变储热单元内填装一种相变材料且所述相变材料按相变温度从高到低排列：在多级联相变储热装置的充热过程中，随着高温导热流体不断向相变材料的传热，导热流体的温度沿管路降低，因此，高温导热流体与相变材料之间的温度差沿流动方向不断减小，热流量也随之减小。因此，在多级联相变储热装置中，沿导热流体流动方向布置相变温度逐渐降低的相变材料，可以保持近似恒定的传热温差，从而保证恒定的高充热功率。在放热过程中，低温导热流体的流动方向相反，因此仍可以保证低温导热流体和相变材料之间的温差几乎保持恒定，从而使放热性能良好。

2. 各级相变储热单元内设置翅片的参数不同：采用非均匀翅片强化传热技术，可以有效地提高传热速率。与均匀翅片工况相比，采用非均匀翅片数量布置可以缩短各级相变材料中完全熔化和完全凝固的最长总时间，从而以较少翅片的代价，实现多级联相变储热装置整体高效的强化传热。

附图说明

图1是均匀翅片工况的示意图。

图2是一类非均匀翅片工况的示意图。

图3是用于模拟计算的物理模型。

图4是均匀和非均匀工况下系统充放热总时间的变化曲线。

图5是均匀和非均匀翅片工况下各级相变储热单元充放热总时间的柱状图示意图。

0—入口 1—第一级相变储热单元 2—第二级相变储热单元 3—第三级相变储热单元 4—出口 5—导热流体通道区（侧） 6—翅片 7—导热流体通道外壁面 8—相变材料区（侧）。

具体实施方式

本发明基于多级联相变储热系统以及翅片强化传热技术，提出了一种高效的翅片布置方案。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。以下描述是基于本级联系统的具体实施方式，对于不同充放热性能的级联系统，可依据具体的特点而布置相应的非均匀翅片。

基于内置翅片的多级联相变储热装置，包括相变材料、多级相变储热单元、导热流体、导热流体通道、翅片。每级相变储热单元包括相变材料区侧（8）及导热流体通道侧（5），其中各级相变储热单元的导热流体通道首尾相连，形成完整的导热流体通道，各级相变储热单元内相变材料侧的容器相互之间是独立的或者首尾相连用金属壁面隔离。各级相变储热单元分别填充不同的相变材料，并且相变材料的填充是以其相变温度作为依据，按照相变温度逐级减小的方式布置。在充热过程中，高温传热流体首先由相变温度最高的相变单元流入，依次加热各级相变单元，最后由相变温度最低的相变单元流出。在放热过程中，低温传热流体首先由相变温度最低的相变储热单元流入，依次冷却各级相变储热单元，最后由相变温度最高的相变单元流出。

相变储热单元也可以分为两个区域，即相变材料区（8）和导热流体通道区（5）。相变材料区内填充有相变材料，导热流体在导热流体通道区内流动。这两个区域之间共用一个传热固体壁面，导热流体在导热流体通道内通过对流换热的形式将热量传递给固体壁面，然后再传递给相变材料，完成传热流体和相变材料之间的热量交换，进而实现充/放热。

翅片连接在相变材料区内的传热固体壁面上，直接与相变材料接触，可增大传热固体壁面与相变材料的换热面积，有利于提高传热热流量。各级相变储热单元内翅片与翅片之间沿着传热流体通道的方向以一定的间距隔开。基于储热系统运行过程中各级相变储热单元内相变材料的充热和放热时间总和，设计翅片的布置方案，包括级与级之间可采用均匀或非均匀数量布置，在各级单元内部也可采用非均匀高度或非等间距布置。通过设计非均匀翅片的布置方案，最终以较少的翅片代价，实现多级联相变储热装置整体高效的强化传热。

实施例1：

图1和图2展示了三级联相变储热系统，该系统的三级相变储热模块均由三个竖直放置的管壳式换热器构成，每一级换热器的壳侧填装一种相变材料，相变材料按相变温度从高到低排列，这三级相变储热模块依次命名为PCM1、PCM2和PCM3。三种不同的硝酸盐混合物，包括太阳盐(60wt.% NaNO₃-40wt.% KNO₃，相变温度为494.15 K)、二元硝酸盐(46wt.%NaNO₃-54wt.% LiNO₃，相变温度为463.75 K)和Hitec盐(7wt.% NaNO₃-40wt.% NaNO₂-53wt.% KNO₃，相变温度为415.59 K)，依次被选作PCM1、PCM2和PCM3。在充热过程中，导热流体依次流经PCM1、PCM2和PCM3的管侧通道对相变材料进行加热。在放热过程中，导热流体依次流经PCM3、PCM2和PCM1的管侧通道将相变材料的热量带走。实际应用中，为了给相变材料熔化过程中预留膨胀空间，通常换热器壳侧的相变材料约占容器空间的80%左右。换热器为不锈钢材质，壳外径为130 mm，内径为120 mm，厚度为5 mm，壳内高度为400 mm，内管的外径为28 mm，内径为 25 mm。换热器外部用厚度为250 mm的玻璃棉包裹（图中未展示），以减少热损失。由于轴对称结构，三级相变储热模块可以简化为三个相互连接的管壳式换热器的二维物理模型，如图3所示。

实施例2

翅片布置：各级相变储热单元内采用相同尺寸的翅片，单个翅片的高度为12 mm，厚度为2 mm，作为对比的均匀翅片数量工况，各级相变储热单元内等间距布置相同数量的翅片。在非均匀翅片数量工况中，第一级相变储热单元内等间距布置4个翅片，第二级相变储热单元内等间距布置8个翅片，第三级相变储热单元内不布置翅片。翅片总数均为12个。

图4展示了均匀和非均匀工况下系统充放热总时间的变化曲线。由于PCM2的充放热总时间长于PCM1和PCM3，故PCM2的充放热总时间即为系统充放热总时间。由图可知，翅片总数为12个的非均匀工况仍比翅片总数为18个的均匀工况下的系统充放热总时间短，而此时的翅片数量减少了50%，从而以较少翅片的代价，实现多级联相变储热装置整体高效的强化传热。

图5展示了均匀和非均匀翅片工况下各级相变储热单元充放热总时间，翅片总数均为12个。从图中可以看出，与均匀翅片布置工况相比，非均匀翅片布置中时间最长的PCM2的充放热总时间缩短了5%，从而使储热系统整体的充放热时间减少。此外，在非均匀翅片布置工况下，各级相变材料的总时间相差较小，这意味着各级相变材料之间获得更加均匀的充/放热过程。

实施例3

内置翅片的具体设计过程如下：

步骤1：用ANSYS Fluent软件模拟各级相变储热单元都等间距布置０、２、４、６或８个翅片的三级联相变储热装置的充放热过程，其中翅片高度和厚度分别为12 mm和2 mm，记录各级相变储热单元的充放热时间，比较在此五种翅片数量工况下的充放热时间，从而确定翅片总数为12个。

步骤2：利用ANSYS Fluent软件模拟各级相变储热单元都等间距布置高度为8、10、12、14或16 mm翅片的三级联相变储热装置的充放热过程，其中各级内的翅片数量为4 mm，记录各级相变储热单元的充放热时间，比较在五种翅片高度工况下的充放热时间，确定最优的翅片高度为12 mm。

步骤3：确定翅片总数为12个，第二级相变储热单元的充放热时间总和最长，增加其翅片数量为8个，第三级相变储热单元的充放热时间总和最短，从而减少其翅片数量至0个。由图5结果可知，采用非均匀的翅片布置缩短了各级相变材料中完全熔化和完全凝固的最长总时间。

步骤4：基于相变储热单元内相变材料的熔化和凝固特点，可进一步优化第二级相变储热单元内翅片的间距布置和高度布置。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各 种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (1)

1.内置翅片的多级联相变储热装置强化传热方法，包括内置翅片的多级联相变储热装置，所述多级联相变储热装置包括多级联相变储热单元，每级所述相变储热单元内填装一种相变材料；所述相变材料按相变温度从高到低排列；各级相变储热单元内设置翅片的参数不同；所述相变储热单元为管壳式换热器；所述管壳式换热器为不锈钢材质，换热器外部用玻璃棉包裹；每个管壳式换热器内部通过导热流体管道串联以形成多级联相变储热装置；所述相变材料填充在管壳式换热器中，占管壳式换热器容器空间70%-90%；所述导热流体管道内采用的导热流体包括水、导热油和熔融盐；相变材料的种类包括石蜡和熔融盐，布置方式为按相变温度依次降序排列；所述多级联相变储热单元包括但不限于二级联和三级联相变储热单元；其特征为：包括如下步骤：

步骤1：利用ANSYS Fluent软件模拟内置均匀数量翅片的多级联相变储热装置的充放热过程，记录各级相变储热单元的充放热时间，比较在不同翅片数量工况下的充放热时间，从而确定翅片总数；

步骤2：利用ANSYS Fluent软件模拟内置均匀高度翅片的多级联相变储热装置的充放热过程，记录各级相变储热单元的充放热时间，比较在不同翅片高度工况下的充放热时间，确定最优的翅片高度；

步骤3：在一定的翅片总数前提下，适当增加充放热时间最长那一级相变储热单元的翅片数量，同时减小充放热时间最短那一级相变储热单元的翅片数量，从而缩短多级联相变储热装置整体的充放热时间；

步骤4：基于相变储热单元内充/放热过程中相变材料的熔化和凝固特点，进一步优化充放热时间最长那一级相变储热单元内的翅片的间距和高度布置参数。

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