CN112611243B - 一种新型强化空气换热相变蓄热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型强化空气换热相变蓄热装置，包括有吸热单元、蓄热单元和放热单元，其中吸热单元和放热单元均与蓄热单元相连接，吸热单元和放热单元设置在蓄热单元的左右。吸热单元和放热单元的结构相同，吸热单元和放热单元均包括有均热板，其中均热板为侧U型结构，均热板的敞口内垂直设置有数列肋板，肋板的上下两端分别与均热板敞口的顶面和底面相固连，相邻肋板之间设置有数排肋片，相邻排的肋片交错设置，肋片与肋板的高度一致，有益效果：有效增大了蓄热量并减小了蓄热装置的体积，同时能够有效降低蓄热装置的温度，减少热损失。具有更好的适应能力。

Description

一种新型强化空气换热相变蓄热装置
技术领域
本发明涉及一种蓄热装置，特别涉及一种新型强化空气换热相变蓄热装置。
背景技术
目前，随着能源紧缺问题的日益严峻，人们开始大量开发使用绿色可再生能源，如太阳能、风能、潮汐能等。但这些能源在进行供给时，受环境影响比较大，能量密度不稳定，甚至在特殊情况下无法进行能源供给，比如太阳能作为最常见的绿色可再生能源，这个问题尤为突出，阴雨天、雾霾天气太阳能供能质量大大降低。面对这个情况，蓄热装置便可以发挥出很大的作用，实现热能在时间和空间概念上的迁移与存储。
目前，蓄热装置多依靠蓄热材料的显热存储，蓄热能量密度小，散热损失大，当采用相变材料作为蓄热工质时，由于相变材料热导率低等问题的存在，相变蓄热装置往往存在相变换热热阻大、换热效率低等问题，同时以空气为换热介质的蓄热装置中空气与蓄热介质的换热效率低下，难以实现较高的换热效率。基于以上问题，发明一款新型的强化空气换热的相变蓄热装置是急需亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了提高蓄热装置的蓄热能力以及吸热与放热效率，而提供的一种新型强化空气换热相变蓄热装置。
本发明提供的新型强化空气换热相变蓄热装置包括有吸热单元、蓄热单元和放热单元，其中吸热单元和放热单元均与蓄热单元相连接，吸热单元和放热单元设置在蓄热单元的左右。
吸热单元和放热单元的结构相同，吸热单元和放热单元均包括有均热板，其中均热板为侧U型结构，均热板的敞口内垂直设置有数列肋板，肋板的上下两端分别与均热板敞口的顶面和底面相固连，相邻肋板之间设置有数排肋片，相邻排的肋片交错设置，肋片与肋板的高度一致，沿空气流动方向各排肋片逐渐增长，各排肋片之间以及肋片与肋板之间形成有风道，最后排靠近肋板的肋片与肋板相交，最后排中间相邻的肋片相交，各排肋片均与肋板呈锐角关系，均热板的开口处设置有挡板对均热板的开口进行封堵，挡板由保温材料制成。
肋板和肋片均为高导热率的金属材料制成。
均热板为中空结构，均热板空腔的内壁具有毛细结构，均热板的内腔为真空腔体，均热板由铜或铝制成，均热板的内腔填充有介质，介质为水或乙醇。
蓄热单元内设置有数排彼此平行的隔板，相邻的隔板之间填充有多孔金属体，多孔金属体内填充有相变材料，蓄热单元的上下分别设置有顶板和底板进行密封，顶板和底板由保温材料制成，隔板为高导热率的金属材料制成。
多孔金属体为泡沫金属或金属蜂窝芯，相变材料为石蜡。
本发明的工作原理：
本发明提供的新型强化空气换热相变蓄热装置在使用时，热空气均匀送入吸热单元，热空气在吸热单元中的均热板、肋板和肋片所围成的风道中流动，整体的风道被数列肋板分割为多个风道，每个风道沿空气流动方向设置长度逐渐增加的数排肋片，最后排靠近肋板的肋片与肋板相交，最后排中间相邻的肋片相交，各排肋片均与肋板呈锐角关系，热空气在数排肋片的作用下平均分流，每部分被分流的热空气沿肋片进行外掠平板对流传热，由于肋片长度有限，且后面设置的肋片与前方呈锐角相对，以上结构致使热空气外掠肋片的距离很短，边界层厚度很薄，换热热阻很小，而且外掠前排肋片的空气会高速冲击后排肋片，使后排肋片上形成的流动边界层产生很大扰动和减薄效应，极大的降低了此处热空气与肋片的对流换热热阻，前后的肋片呈交错布置，流动边界层会在下一肋片表面重新生成，边界层的厚度又从零开始逐渐累积并受扰动。热空气在吸热单元内重复上述过程，对流换热的边界层厚度一直维持在较薄的水平且受到极大的扰动，最终使得吸热单元空气传热热阻始终维持在一个较低的状态，传热效果较之普通换热结构有显著提高。
热空气与吸热单元中的肋板和肋片对流换热释放的热量至吸热单元中均热板的吸热段(蒸发段)，均热板内介质蒸发吸热，介质向均热板放热段(冷凝段)扩散，当气相介质到达放热段时遇冷冷凝为液态并放出热量，同时放热段内液态介质通过吸热单元中的均热板内壁毛细作用回到吸热段重复上述换热过程，该换热过程基于介质的相变，因此热流密度非常大，且吸热单元中的均热板的放热段和吸热段基本没有温差，可以实现高效的热量传递。
吸热单元中均热板内介质冷凝释放出的热量则会通过蓄热单元中隔板和多孔金属体传递给多孔金属体内的相变材料，多孔金属体具有高面积比、高热导率、彼此交联的特性，有效提高了相变材料的换热面积和换热强度，有效强化了相变材料凝固和液化过程及传热过程。
蓄热装置需要进行放出热量时，冷空气经进入放热单元内，放热单元与吸热单元结构一致，故冷空气的强化传热效果仍得到很好的强化，此时放热单元中的均热板中间区域为吸热段，吸收来自蓄热单元中相变材料释放的热量，该热量通过在放热单元中均热板的高热流密度传递给放热单元中的肋板和肋片，继而高效的传递给冷空气，冷空气获得热量后被加热。
本发明的有益效果：
本发明提供的新型强化空气换热相变蓄热装置结构合理，与现有的蓄热装置相比，本发明采用相变材料进行蓄热，有效增大了蓄热量并减小了蓄热装置的体积，同时能够有效降低蓄热装置的温度，减少热损失。另一方面，本发明将蓄热装置的吸热单元与放热单元分开设置，相较于一般蓄热装置只能单独进行吸热或放热过程，此新型蓄热装置能够同时进行吸热与放热，本发明能够用于更多复杂的工况，具有更好的适应能力。本蓄热装置不论在蓄热单元、吸热单元和放热单元都进行了创新的强化传热设计，吸热、蓄热和放热效率增加显著，能够高效完成热能的储存与利用。
附图说明
图1为本发明所述蓄热装置整体结构示意图。
图2为本发明所述蓄热装置断面俯视图。
上图中的标注如下：
1、吸热单元 2、蓄热单元 3、放热单元 4、均热板 5、肋板
6、肋片 7、挡板 8、隔板 9、多孔金属体 10、顶板 11、底板。
具体实施方式
请参阅图1至图2所示：
本发明提供的新型强化空气换热相变蓄热装置包括有吸热单元1、蓄热单元2和放热单元3，其中吸热单元1和放热单元3均与蓄热单元2相连接，吸热单元1和放热单元3设置在蓄热单元2的左右。
吸热单元1和放热单元3的结构相同，吸热单元1和放热单元3均包括有均热板4，其中均热板4为侧U型结构，均热板4的敞口内垂直设置有数列肋板5，肋板5的上下两端分别与均热板4敞口的顶面和底面相固连，相邻肋板5之间设置有数排肋片6，相邻排的肋片6交错设置，肋片6与肋板5的高度一致，沿空气流动方向各排肋片6逐渐增长，各排肋片6之间以及肋片6与肋板5之间形成有风道，最后排靠近肋板5的肋片6与肋板5相交，最后排中间相邻的肋片6相交，各排肋片6均与肋板5呈锐角关系，均热板4的开口处设置有挡板7对均热板4的开口进行封堵，挡板7由保温材料制成。
肋板5和肋片6均为高导热率的金属材料制成。
均热板4为中空结构，均热板4空腔的内壁具有毛细结构，均热板4的内腔为真空腔体，均热板4由铜或铝制成，均热板4的内腔填充有介质，介质为水或乙醇。
蓄热单元2内设置有数排彼此平行的隔板8，相邻的隔板8之间填充有多孔金属体9，多孔金属体9内填充有相变材料，蓄热单元2的上下分别设置有顶板10和底板11进行密封，顶板10和底板11由保温材料制成，隔板8为高导热率的金属材料制成。
多孔金属体9为泡沫金属或金属蜂窝芯，相变材料为石蜡。
本发明的工作原理：
本发明提供的新型强化空气换热相变蓄热装置在使用时，热空气均匀送入吸热单元1，热空气在吸热单元1中的均热板4、肋板5和肋片6所围成的风道中流动，整体的风道被数列肋板5分割为多个风道，每个风道沿空气流动方向设置长度逐渐增加的数排肋片6，最后排靠近肋板5的肋片6与肋板5相交，最后排中间相邻的肋片6相交，各排肋片6均与肋板5呈锐角关系，热空气在数排肋片6的作用下平均分流，每部分被分流的热空气沿肋片6进行外掠平板对流传热，由于肋片6长度有限，且后面设置的肋片6与前方呈锐角相对，以上结构致使热空气外掠肋片6的距离很短，边界层厚度很薄，换热热阻很小，而且外掠前排肋片6的空气会高速冲击后排肋片6，使后排肋片6上形成的流动边界层产生很大扰动和减薄效应，极大的降低了此处热空气与肋片6的对流换热热阻，前后的肋片6呈交错布置，流动边界层会在下一肋片6表面重新生成，边界层的厚度又从零开始逐渐累积并受扰动。热空气在吸热单元1内重复上述过程，对流换热的边界层厚度一直维持在较薄的水平且受到极大的扰动，最终使得吸热单元1空气传热热阻始终维持在一个较低的状态，传热效果较之普通换热结构有显著提高。
热空气与吸热单元1中的肋板5和肋片6对流换热释放的热量至吸热单元1中均热板4的吸热段(蒸发段)，均热板4内介质蒸发吸热，介质向均热板4放热段(冷凝段)扩散，当气相介质到达放热段时遇冷冷凝为液态并放出热量，同时放热段内液态介质通过吸热单元1中的均热板4内壁毛细作用回到吸热段重复上述换热过程，该换热过程基于介质的相变，因此热流密度非常大，且吸热单元1中的均热板4的放热段和吸热段基本没有温差，可以实现高效的热量传递。
吸热单元1中均热板4内介质冷凝释放出的热量则会通过蓄热单元2中隔板8和多孔金属体9传递给多孔金属体9内的相变材料，多孔金属体9具有高面积比、高热导率、彼此交联的特性，有效提高了相变材料的换热面积和换热强度，有效强化了相变材料凝固和液化过程及传热过程。
蓄热装置需要进行放出热量时，冷空气经进入放热单元3内，放热单元3与吸热单元1结构一致，故冷空气的强化传热效果仍得到很好的强化，此时放热单元3中的均热板4中间区域为吸热段，吸收来自蓄热单元2中相变材料释放的热量，该热量通过在放热单元3中均热板4的高热流密度传递给放热单元3中的肋板5和肋片6，继而高效的传递给冷空气，冷空气获得热量后被加热。
附图2中所示箭头方向为空气流动方向。

Claims (5)

1.一种新型强化空气换热相变蓄热装置，包括有吸热单元、蓄热单元和放热单元，其中吸热单元和放热单元均与蓄热单元相连接，吸热单元和放热单元设置在蓄热单元的左右，其特征在于：所述的吸热单元和放热单元的结构相同，吸热单元和放热单元均包括有均热板，其中均热板为侧U型结构，均热板的敞口内垂直设置有数列肋板，肋板的上下两端分别与均热板敞口的顶面和底面相固连，相邻肋板之间设置有数排肋片，相邻排的肋片交错设置，肋片与肋板的高度一致，沿空气流动方向各排肋片逐渐增长，各排肋片之间以及肋片与肋板之间形成有风道，最后排靠近肋板的肋片与肋板相交，最后排中间相邻的肋片相交，各排肋片均与肋板呈锐角关系，均热板的开口处设置有挡板对均热板的开口进行封堵，挡板由保温材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种新型强化空气换热相变蓄热装置，其特征在于：所述的肋板和肋片均为高导热率的金属材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种新型强化空气换热相变蓄热装置，其特征在于：所述的均热板为中空结构，均热板空腔的内壁具有毛细结构，均热板的内腔为真空腔体，均热板由铜或铝制成，均热板的内腔填充有介质，介质为水或乙醇。
4.根据权利要求1所述的一种新型强化空气换热相变蓄热装置，其特征在于：所述的蓄热单元内设置有数排彼此平行的隔板，相邻的隔板之间填充有多孔金属体，多孔金属体内填充有相变材料，蓄热单元的上下分别设置有顶板和底板进行密封，顶板和底板由保温材料制成，隔板为高导热率的金属材料制成。
5.根据权利要求4所述的一种新型强化空气换热相变蓄热装置，其特征在于：所述的多孔金属体为泡沫金属或金属蜂窝芯，相变材料为石蜡。
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