CN112611246A - 一种单通道多层盘管式相变储热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单通道多层盘管式相变储热装置，包括保温壳体，其为具有顶部开口的空心柱体；换热流体出口集箱，设置在保温壳体的顶部一侧；换热流体进口集箱，设置在保温壳体的顶部另一侧，且与换热流体出口集箱位于同一水平位置上；N层换热盘管，以保温壳体的中心为中心呈环形阵列布置。解决了现有单层盘管使得储热装置内部温度分布极不均匀的问题。
Description
技术领域
本发明属于储热技术领域，具体涉及一种单通道多层盘管式相变储热装置。
背景技术
储热技术可有效解决用能端与供能端在时间和数量上不匹配的问题，现阶段，已经商业应用的储热技术主要为显热储存和相变储存。其中相变储热具有储热密度高、供热温度稳定等优势，被认为是现阶段最有前景的能量储存技术之一。相变储热装置是储热系统的关键组成部分，常见的储热装置换热管形式为阵列直管式和螺旋盘管式，其中，螺旋盘管是一种结构紧凑的换热管，流体在螺旋管道内向前流动的过程中持续改变方向，在垂直于轴向主流方向的截面上产生二次环流，增强了流体的混合，相对于直管，螺旋盘管内流体的换热系数更高。
目前，单通道盘管式相变储热装置常采用单层盘管或多层盘管首尾串联的形式，如文献《螺旋盘管式相变储热单元储热性能》，换热流体从下部螺旋盘管入口流入，顶部出口流出；文献《添加物对石蜡相变螺旋盘管蓄热器蓄热和放热性能的影响》文中采用三层盘管首尾串联相接。由于固态相变材料(PCM)导热系数较小，蓄热过程中相变材料融化速率较慢，采用单层盘管时，盘管中心及边角位置往往存在融化死区，导致储热装置内部温度分布极不均匀，降低了储热装置储热效率；采用多层盘管首尾串联的形式，虽然一定程度上可以改善装置温度分布均匀性的问题，但带来了储热装置流阻较大，整体储热系统能耗较高；此外，多层盘管串联安装工艺较为复杂，影响储热装置的推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种单通道多层盘管式相变储热装置，以解决现有单层盘管使得储热装置内部温度分布极不均匀的问题。
本发明采用以下技术方案：一种单通道多层盘管式相变储热装置，包括：
一保温壳体，其为具有顶部开口的空心柱体；
一换热流体出口集箱，设置在保温壳体的顶部一侧；
一换热流体进口集箱，设置在保温壳体的顶部另一侧，且与换热流体出口集箱位于同一水平位置上；
N层换热盘管，以保温壳体的中心为中心呈环形阵列布置，各层换热盘管并列布置；每根换热管的结构为：
一直线管，竖直设置，其顶端为换热流体出口、并连通至换热流体进口
集箱，其底端延伸至保温壳体的底部；
一螺旋盘管，其底端与直线管的底端连通，其另一端盘旋上升、并连通至换热流体出口集箱；螺旋盘管的顶端为换热流体出口；
相变材料，填充在保温壳体内各个换热管外部；
一固定杆，水平横跨于保温壳体内部，并与各层换热盘管固定连接，用于对各个换热盘管进行水平方向支撑；
多个支撑角钢，固定在保温壳体内壁，每个支撑角钢连接有U形螺栓，每个 U形螺栓用于将换热盘管包裹并固定，以实现对换热盘管竖直方向的支撑。
进一步的，换热盘管的螺旋盘管为圆形螺旋状、U形螺旋状或椭圆形螺旋状。
进一步的，各层换热盘管的曲率半径不同、节距不同、流阻相等。
进一步的，在储热装置顶部、沿水平方向设置一支撑杆，支撑杆上悬挂多个沿竖直方向设置的电加热元件，电加热元件的下部依靠固定杆限位。
进一步的，加热元件位于相邻两层盘管中间。
进一步的，各个电加热元件的排列方式为三角形、正方形或同心圆形。
进一步的，电加热元件外部设有可拆卸套管。
进一步的，保温壳体的顶部设置有一箱体顶部盖板。
本发明的有益效果是：将螺旋盘管连通一直管段，解决储热装置中心处PCM 融化-凝固死区，储热装置内部温度分布极不均匀的问题；采用多层盘管层套并联的结构形式，在满足换热面积的情况下，减小储热装置流阻，降低储热系统能耗；此外，装置结构紧凑，占地面积小。将加热元件内置于储热装置中，主动蓄热被动放热，减少加热元件热损失，提高储热速率，装置集成度高，易于分布式应用推广。
附图说明
图1为本发明一种单通道多层盘管式相变储热装置的结构示意图；
图2为本发明一种单通道多层盘管式相变储热装置的换热盘管的结构示意图；
图3为本发明一种单通道多层盘管式相变储热装置的换热盘管的固定示意图；
图4为图1的俯视图；
图5为本发明一种单通道多层盘管式相变储热装置的单层螺旋盘管竖直方向定位的结构示意图；
图6为本发明一种单通道多层盘管式相变储热装置换热盘管为U形螺旋状的结构示意图。
其中，1.保温壳体，2.相变材料，3.换热流体出口集箱，4.第一层换热盘管，5.第二层换热盘管，6.第三层换热盘管，7.箱体顶部盖板，8.换热流体进口集箱，9.固定杆，10.电加热元件，11.支撑杆，12.支撑角钢，13.U形螺栓，14. 换热流体出口，15.换热流体进口，16.换热盘管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种单通道多层盘管式相变储热装置，如图1所示，包括保温壳体1、换热流体出口集箱3、换热流体进口集箱8、N层换热盘管16、相变材料 2、固定杆9和多个支撑角钢12。
其中，保温壳体1为具有顶部开口的空心柱体，保温壳体由内胆、保温材料和防护外壳组成，其中保温材料导热系数应小于0.05w/(m.K)，厚度应大于 50mm。内胆和外壳可选用厚度为2-5mm的不锈钢。
换热流体出口集箱3设置在所述保温壳体1的顶部一侧，换热流体进口集箱8设置在所述保温壳体1的顶部另一侧，换热流体进口集箱8与所述换热流体出口集箱3位于同一水平位置上。进出口集箱、箱体顶部盖板7与保温壳体1的连接处均设有密封件。
如图4所示，N层换热盘管16以保温壳体1的中心为中心呈环形阵列布置，各层换热盘管16并列布置；换热盘管16层数可为2,3,4，…，n。各层换热盘管 16曲率半径、节距均不相同，但各层盘管流阻必须相等，防止因流阻不等导致各层盘管换热流体出现流量偏差。最内层盘管至最外层盘管的换热管直径依次增大，即内层换热管管径小，外层换热管管径大，以保证取热过程中PCM温度分布均匀，提高取热效率。
多层不同曲率半径的换热盘管16同心圆布置并联于传热流体出口集箱3，并利用支撑角钢12和固定杆9对每层换热盘管16进行竖直方向和水平方向的固定支撑。如图4和图6所示，在一些实施例中，换热盘管16的螺旋盘管为圆形螺旋状、U形螺旋状或椭圆形螺旋状。换热流体可选用水或导热油。
如图2所示，每根换热管的结构包括直线管和螺旋盘管。具体的，直线管竖直设置，其顶端为换热流体进口15、并连通至所述换热流体进口集箱8，其底端延伸至所述保温壳体1的底部。螺旋盘管，其底端与所述直线管的底端连通，其另一端盘旋上升、并连通至所述换热流体出口集箱3；所述螺旋盘管的顶端为换热流体出口14。
PCM填充在所述保温壳体1内各个换热盘管16外部，预留10％的PCM体积膨胀空间。根据用热环境温度需求，选取具有适宜相变温度的PCM。例如，当该储热装置用作谷电供暖时，所选PCM相变温度应在45℃-85℃，可选用结晶水合盐或石蜡。在PCM中可添加高导热性的微纳米材料及多孔介质，如金属纳米颗粒、石墨等，以便提高蓄/取热速率。相变储热装置内部设有温度测量元件，监控PCM 温度变化情况。
如图3所示，固定杆9水平横跨于所述保温壳体1内部，并与各层换热盘管16固定连接，用于对各个所述换热盘管16进行水平方向支撑。即各层换热盘管16之间通过固定杆9相连。如图5所示，多个支撑角钢12固定在所述保温壳体1内壁，每个支撑角钢12连接有U形螺栓13，每个所述U形螺栓13用于将所述换热盘管16包裹并固定，以实现对所述换热盘管16竖直方向的支撑。支撑角钢一边安装U形螺栓，换热管安装在U形螺栓和角钢之间，以便实现换热盘管16 竖直方向的支撑固定。
在一些实施例中，在所述储热装置顶部、沿水平方向设置一支撑杆11，所述支撑杆11上悬挂多个沿竖直方向设置的电加热元件10，所述电加热元件10 的下部依靠固定杆9限位。电加热元件10在储热装置中均匀排列，排列方式可为三角形，正方形，同心圆形式，以保证蓄热过程中PCM温度分布均匀，避免局部过热。支撑杆11上焊接圆形挡圈，用于固定电加热元件10。
在一些实施例中，加热元件10位于相邻两层盘管中间，被PCM2包围，避免与换热盘管16直接接触。电加热元件10外部还可以设有可拆卸套管，以便后期加热元件的检修更换。电加热元件10配套有控制装置，可实现加热功率可调，根据谷电时长和用户需求，灵活调整加热功率。
本发明一种单通道多层套盘管式相变储热装置的工作过程为：
1、储热过程：
根据谷电时长和用户用热需求，调整相变储热装置内部电加热元件10的加热功率，电能转化为热能，吸热后的固态相变储热材料2逐渐升温融化，最终变为液态，该过程实现热能的存储；在此阶段中，关闭连接储热装置出口集箱3和进口集箱8管道上的阀门，各层换热盘管内的换热流体处于停滞状态。当储热装置内部温度测量元件显示相变储热材料2温度上升至预定值时，关闭电加热元件 10，停止加热。从而完成储热装置的储热过程。
2.放热过程：
当用户需要用热时，低温的换热流体经进口集箱8内分股流入各并联盘管中。低温换热流体从第一层换热盘管中心的直管段，即换热流体进口15流入，在温差的驱动下，高温相变储热材料2经换热管壁将热量传递给换热流体，升温后的换热流体从换热流体出口14流出。换热流体在其他层换热盘管16内的流动方向与第一层换热盘管相同。最终，经各层换热盘管16升温后的换热流体在出口集箱3内汇合，并排出至用热端，从而完成储热装置的放热过程。
由于并联的各层盘管流阻相等，因此进入各层换热盘管16的内的传热流体流量基本一致，此外，换热管直径从内层盘管至最外层逐渐增大，从而保证储热装置在取热过程中PCM温度的均匀性，提高了取热效率。
实施例
一种单通道多层套盘管式相变储热装置，主要由保温壳体1、相变材料2、换热流体出口集箱3、换热盘管16为三层，具体为第一层换热盘管4、第二层换热盘管5和第三层换热盘管6，还包括箱体顶部盖板7、换热流体进口集箱8、固定杆9、电加热元件10、支撑杆11、支撑角钢12、U形螺栓13等组成。
第一层换热盘管4、第二层换热盘管5、第三层换热盘管6层套布置并联于传热流体出口集箱3和进口集箱8。各层换热盘管16竖直方向均通过支撑角钢 12和U形螺栓13连接固定，换热管水平方向通过固定杆9进行限位，各支撑角钢12端部与支撑杆9相交处焊接，形成整体固定支撑框架。最上层支撑杆11上焊接圆形挡圈，用于电加热元件10的悬挂定位，并利用固定杆9实现水平方向的限位，防止加热元件在PCM融化过程中出现晃动。各层换热盘管16之间填充相变材料(PCM)2，PCM的填充体积不超过储热装置容积的85％，即预留一定的PCM2融化体积膨胀空间。换热流体出口集箱3、进口集箱8及箱体顶部盖板7与储热装置保温壳体1的连接处均设有密封件，一方面防止外界空气进入，导致PCM 变性；另一方面，防止PCM超温溢出。
根据谷电时长和用户用热需求，调整相变储热装置内部电加热元件10的加热功率，电能转化为热能，吸热后的固态相变储热材料2逐渐升温融化，最终变为液态，该过程实现热能的存储；在此阶段中，关闭连接储热装置出口集箱3和进口集箱8管道上的阀门，第一、二、三层换热盘管(4、5、6)内的换热流体处于停滞状态。当储热装置内部温度测量元件显示PCM温度上升至预定值时，关闭电加热元件10，停止加热。从而完成储热装置的储热过程。
当用户需要用热时，低温的换热流体经进口集箱8内分股流入各并联盘管中。以第一层换热盘管4为例，低温换热流体从第一层换热盘管4中心的换热流体进口15流入，在温差的驱动下，高温PCM经换热管壁将热量传递给换热流体，升温后的换热流体从换热流体出口14流出。换热流体在第二、三层换热盘管(5、 6)内的流动方向与第一层换热盘管4相同。最终，经各层换热盘管16升温后的换热流体在出口集箱3内汇合，并排出至用热端，从而完成储热装置的放热过程。由于并联的各层盘管流阻相等，因此进入各层换热盘管16的内的传热流体流量基本一致，此外，换热管直径从内层盘管至最外层逐渐增大，从而保证储热装置在取热过程中PCM温度的均匀性，提高了取热效率。
本发明采用的换热管结构为每层螺旋盘管内侧连通一直管段，高温换热流体从内侧直管段流入，经螺旋盘管流出，从而解决盘管内侧PCM融化-凝固死区问题，储热装置内部温度分布极不均匀的问题。
此外，采用多层不同曲率半径的盘管层套并联结构形式，可以显著增大换热面积，强化换热，改善储热装置内部温度分布极不均匀的问题。相对于多层盘管串联结构，采用多层盘管并联的结构形式，在满足换热面积的情况下，可大幅度降低流阻，减小输送泵功耗，从而降低储热系统能耗。此外，装置结构紧凑，占地面积小。最内层盘管至最外层盘管的换热管直径依次增大，即内层换热管管径小，外层换热管管径大，以保证装置内部PCM温度分布均匀，提高储热效率。将加热元件内置于储热装置中，主动蓄热被动放热，减少加热元件热损失，提高储热速率，装置集成度高，易于分布式应用推广。
Claims (8)
1.一种单通道多层盘管式相变储热装置，其特征在于，包括：
一保温壳体(1)，其为具有顶部开口的空心柱体；
一换热流体出口集箱(3)，设置在所述保温壳体(1)的顶部一侧；
一换热流体进口集箱(8)，设置在所述保温壳体(1)的顶部另一侧，且与所述换热流体出口集箱(3)位于同一水平位置上；
N层换热盘管(16)，以保温壳体(1)的中心为中心呈环形阵列布置，各层换热盘管(16)并列布置；每根换热管的结构为：
一直线管，竖直设置，其顶端为换热流体出口(15)、并连通至所述换热流体进口集箱(8)，其底端延伸至所述保温壳体(1)的底部；
一螺旋盘管，其底端与所述直线管的底端连通，其另一端盘旋上升、并连通至所述换热流体出口集箱(3)；所述螺旋盘管的顶端为换热流体出口(14)；
相变材料(2)，填充在所述保温壳体(1)内各个换热管外部；
一固定杆(9)，水平横跨于所述保温壳体(1)内部，并与各层换热盘管(16)固定连接，用于对各个所述换热盘管(16)进行水平方向支撑；
多个支撑角钢(12)，固定在所述保温壳体(1)内壁，每个支撑角钢(12)连接有U形螺栓(13)，每个所述U形螺栓(13)用于将所述换热盘管(16)包裹并固定，以实现对所述换热盘管(16)竖直方向的支撑。
2.如权利要求1所述的一种单通道多层盘管式相变储热装置，其特征在于，所述换热盘管(16)的螺旋盘管为圆形螺旋状、U形螺旋状或椭圆形螺旋状。
3.如权利要求1或2所述的一种单通道多层盘管式相变储热装置，其特征在于，各层所述换热盘管(16)的曲率半径不同、节距不同、流阻相等。
4.如权利要求1或2所述的一种单通道多层盘管式相变储热装置，其特征在于，在所述储热装置顶部、沿水平方向设置一支撑杆(11)，所述支撑杆(11)上悬挂多个沿竖直方向设置的电加热元件(10)，所述电加热元件(10)的下部依靠固定杆(9)限位。
5.如权利要求4所述的一种单通道多层盘管式相变储热装置，其特征在于，所述加热元件(10)位于相邻两层盘管中间。
6.如权利要求4所述的一种单通道多层盘管式相变储热装置，其特征在于，各个所述电加热元件(10)的排列方式为三角形、正方形或同心圆形。
7.如权利要求4所述的一种单通道多层盘管式相变储热装置，其特征在于，所述电加热元件(10)外部设有可拆卸套管。
8.如权利要求1或2所述的一种单通道多层盘管式相变储热装置，其特征在于，所述保温壳体(1)的顶部设置有一箱体顶部盖板(7)。
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| CN115318057A (zh) * | 2022-08-11 | 2022-11-11 | 中国恩菲工程技术有限公司 | 吸附器 |
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2020
- 2020-12-31 CN CN202011638667.6A patent/CN112611246A/zh active Pending
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