CN112648874A - 一种基于阶梯式相变管束的储热与释热装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于阶梯式相变管束的储热与释热装置，其包括保温筒体，保温筒体内自上而下设有多层导流板，保温筒体的下端设置有进液口，上端设置有出液口；相变管束，包括多个内置有相变材料的相变管，多个相变管设置在导流板上；释热通道，包括设置在保温筒体上端的冷液补液口、由保温筒体内导流板分隔形成的释热内腔和位于保温筒体下端的释热口；导流板与保温筒体的侧壁之间设置有导流间隙，不同层导流板上的导流间隙的位置交替分布；本申请具有结合高效储热与释热于一体的效果。

Description

一种基于阶梯式相变管束的储热与释热装置

技术领域

本申请涉及相变储能的领域，尤其是涉及一种基于阶梯式相变管束的储热与释热装置。

背景技术

随着国家对可再生能源开发技术与节能减排技术的密切关注，用于调节能源供给侧与需求侧负荷波动性的储能措施已引起了人们的广泛关注。相对于常用的中高温显热储热措施，利用相变材料的潜热在储热与释热中可满足不同温段要求，特别在中低温的热水供应中，储热之余，还可实现延时释热。这一特点符合需求侧对清洁能源连续利用的要求，还可达到短时间集中用热的要求。相变储热与释热技术具有极强的适配性，能配合集热措施，调节热能供需的不平衡。

已有的蓄热或相变保温筒体一般包括：低进高出的流体进出口，内置相变床。其中，相变床设计比较简单，相变温度也较单一。但是，这些装置尚未充分考虑释热需求，一般设计的相变床尚不能保证相变材料的快速与充分释热。这样，通常的蓄热装置并不能保证相变储热热量得到快速与完善的利用。中低温蓄热装置应用场合对容积一般有较严格的限制，内部液相空间与相变材料体积不宜过度庞大，为了满足短时间用热的需求，需要开发高效的储热与释热的一体装置及方法。

发明内容

为了满足短时间用热的需求，需要开发高效的储热与释热的一体装置，本申请提供一种基于阶梯式相变管束的储热与释热装置。

本申请提供的一种基于阶梯式相变管束的储热与释热装置采用如下的技术方案：

一种基于阶梯式相变管束的储热与释热装置，包括：

保温筒体，所述保温筒体内自上而下设有多层导流板，所述保温筒体的下端设置有进液口，上端设置有出液口；

相变管束，包括多个内置有相变材料的相变管，多个相变管设置在各层导流板上，相变管束对应的相变温度从保温筒体的上端至下端呈阶梯递增；

释热通道，包括设置在所述保温筒体上端的冷液补液口、由所述保温筒体内导流板分隔形成的释热内腔和位于所述保温筒体下端的释热口；

所述导流板与所述保温筒体的侧壁之间设置有导流间隙，不同层所述导流板上的所述导流间隙的位置交替分布。

通过采用上述技术方案，保温筒体正常工作时，一方面利用储存液体的显热，另一方面利用管束中相变材料的融化吸收潜热，储存热量；在可保证保温筒体正常液位不变时，保温筒体底部进液口进热液，从上面出液口顶出液体，从而实现放热，相变管束对应的相变温度从保温筒体的上端至下端呈阶梯递增；在无法保证保温筒体的正常液位的条件下，因自然对流的作用，位于下层的液体较上层液体温度要低，需要连续释热的过程中，保温筒体中的上层热液体逐渐下降，下层低温液体先排放；为充分释放保温筒体中的储热，打开保温筒体上端的冷液补液口，进行快速补液，冷流体进入保温筒体，沿导流板下行至下一层导流板并冲刷相变管束，液体从下端的释热口排出，有利于实现释热。

可选的，所述导流板倾斜设置，不同层上的所述导流板的倾斜方向交替设置，所述冷液补液口位于最上层导流板的高端侧的上方，所述释热口位于最下层导流板的低端侧位置。

通过采用上述技术方案，在释热的过程中，倾斜的导流板有利于液体的下行，交替方向倾斜的导流板有利于增加液体在保温筒体内的流转时间和延长流转路径，以充分接触相变管，从而增大了热交换的热量，有利于实现充分释热；同时相变管呈阶梯状设置在导流板上，能够实现温度的阶梯式分布。

可选的，所述导流板上垂直于板面贯穿有导流孔。

通过采用上述技术方案，在蓄热的过程中，导流孔有利于液体的上行，在释热的过程中，液体从上一层的导流板上的导流孔中下漏至下一层导流板上，有利于下漏的液体冲击下层相变管，加快换热。

可选的，上一层所述导流板上的导流孔正对于下一层所述导流板上的相变管。

通过采用上述技术方案，不同层间的相变管与导流孔为交替布置，上一层下漏的液体直接冲击下层相变管，进一步加快换热，及时带走管束释放的潜热。

可选的，所述相变管沿所述冷液补液口的进液方向横向排布，且各层导流板上分布的相变管顺导流板倾斜方向成阶梯状排布。

通过采用上述技术方案，使得从冷液补液口的排出的液体冲刷交替的相变管束，有利于加快潜热释放。

可选的，同一所述导流板上的所述相变管与所述导流孔依次间隔分布。

通过采用上述技术方案，在释热的过程中，液体一部分沿着导流孔流至下一层导流板上的相变管，实现热交换，另一部分先经过相变管热交换之后再沿着导流孔流至下一层上导流板上的相变管，进行热交换，有利于加快热量的转换。

可选的，所述相变管束的管壁材料为具高导热系数的金属材料或陶瓷材料。

通过采用上述技术方案，高导热系数的金属材料或陶瓷材料有利于提高热换的效率，进一步加快换热，及时带走管束释放的潜热。

可选的，所述保温筒体的顶部呈弧形凸起状。

通过采用上述技术方案，弧形凸起状的顶部结构有利于在顶部形成汽包，能够承受汽包产生的空气压力。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.正常储热后的连续释热过程中，从冷液补液口进入的冷流体，连续地冲刷相变管束，造成管束内相变材料发生凝固并释放潜热，从而造成进入液体的不断升温。

2.不同层间的相变管为交替布置，下漏的液体冲击下层管束，加快换热，及时带走相变管束释放的潜热，因此能够利用冷液补液口进入的液体带走保温筒体中相变管束中储存的热量；同时，利用冲刷交替的相变管束，加快了潜热释放；

3.采用阶梯相变温度的布置，让经历了上层升温的流体在下层导流板上遇到更高相变温度的相变管束也能促进相变管束中相变材料的凝固，带走相变管束中的潜热。这样逐层流过阶梯式的相变管束，令保温筒体充分释热并加以利用。

附图说明

图1是本申请的实施例的整体结构示意图；

图2是本申请的实施例的剖面示意图，主要用于展示保温筒体内部结构示意图；

图3是本申请实施例中导流板的结构示意图；

图4是本申请实施例的剖面示意图，主要用于展示储热过程中液体的流动方向；

图5是本申请实施例的剖面示意图，主要用于展示释热过程中液体的流动方向。

附图标记：1、保温筒体；2、导流板；21、导流孔；3、进液口；4、出液口；5、释热口；6、冷液补液口；7、相变管；8、导流间隙；9、释热内腔。

具体实施方式

以下结合附图1-5对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种基于阶梯式相变管束的储热与释热装置。参照图1和图2，包括保温筒体1和置于保温筒体1内的相变管束。保温筒体1内的轴向截面上自上而下设有多层交替倾斜的导流板2。保温筒体1的侧壁上开设有进液口3、出液口4、释热口5和冷液补液口6。

保温筒体1整体呈圆柱形，其顶部呈弧形凸起状设置，以有利于在顶部形成汽包，且能够承受汽包产生的空气压力。

进液口3设在保温筒体1的下端，在蓄热过程中，通过该进液口3向保温筒体1中输入高温液体；出液口4设在保温筒体1的上端，在蓄热过程中，通过进液口3向保温筒体1中输入的高温液体从该出液口4顶出，向外输出放热后的低温液体，当持续输入高温液体，最终达到平衡时，出液口4的温度与进液口3的温度一致。

冷液补液口6设在保温筒体1的上端，冷液补液口6和由保温筒体1内导流板2分隔形成的释热内腔9，以及释热口5形成释热通道。释热口5设在保温筒体1的下端，用于释热过程中从保温筒体1中向外释放液体。释热口5正对于出液口4的正下方设置。

参照图2和图3，导流板2置于保温筒体1内部，且位于保温筒体1的轴向截面上，整体呈椭圆形。导流板2与水平方向呈设定角度倾斜；倾斜角度根据使用场合的限制，比如15°至45°的倾斜，以及15°、20°、25°、30°、35°、40°或45°的倾斜角度的设定。不同层的导流板2均朝向保温筒体1底部所在的方向倾斜。导流板2的低端与保温筒体1的侧壁之间预留有导流间隙8，不同层导流板2上的导流间隙8左右交替分布。位于最高层的导流板2，其倾斜的高端靠近冷液补液口6设置，倾斜的低端对应下一层导流板2倾斜的高端。最低层的导流板2倾斜的低端对应释热口5设置，且该处与保温筒体1的底部设有间隙。导流板2上成排开设有垂直并贯穿于板面的导流孔21，成排的导流孔21沿着导流板2倾斜的方向成排设置。该导流孔21用于蓄热时上下液体的连通以及释热时上层液体的下漏。导流板2的层数、倾角及开孔大小与数量可根据保温筒体1的应用场合要求进行调整。比如太阳能系统、空调储冷系统等。液体沿着导流板2逐个流经多个导流板2，增加了液体在保温筒体1内的停留时间，使得液体与相变管束更加充分接触，使得热交换更加充分。

相变管束包括多个相变管7，一层导流板2上设有多个相变管7。同一导流板2上，相变管7平行固定安装在导流板2的上表面或保温筒体1的侧壁，且相邻的相变管7间距一个导流孔21的距离均匀分布，即相变管7位于相邻成排的导流孔21之间。不同层间的相变管7与导流孔21在垂直方向上交替分布，上一层导流板2上的导流孔21对应于下一层导流板2上的相变管7。以使得下漏的液体冲击下层的相变管7，加快换热，及时带走相变管7释放的潜热。相变管7的管壁材料为具高导热系数的金属材料或陶瓷材料，内填的相变材料可以为多种选择。按材料化学成分不同分类，相变材料可分为无机相变材料、有机相变材料与混合相变材料三大类。无机相变材料主要包括结晶水合盐、熔融盐、金属合金等无机物；有机相变材料主要包括石蜡、羧酸、多元醇等有机物；混合相变材料主要是有机和无机共熔相变材料的混合物。相变管7轴线水平且平行设置的相变管束直径较小，分布密集，且从保温筒体1上层导流板2往下，相变管7内材料的相变温度逐渐升高，最下层导流板2上相变管7中材料的相变温度最高，相变温度呈阶梯分布。相变管7中相变材料的相变温度呈阶梯上升，保证在最末端热液条件下也会凝固并释放潜热，直到保温筒体1下端的释热口5，流出保温筒体1，释热完成。此外，相变管7的数量可根据保温筒体1的大小进行调整。

在储热的过程中，参照图4，图中箭头所指示的方向为液体的流动方向，在可保证保温筒体1正常液位不变时，从保温筒体1底部进液口3进热液，从顶部的出液口4顶出液体，从而实现储热。

在释热的过程中，参照图5，根据箭头所指示的方向，从该冷液补液口6往筒体中补液。冷液补液口6正对于进液口3的上方设置，高度低于出液口4所在的高度。在补入冷液的过程中，使得液体不容易从出液口4处流出，由于受到重力的影响，液体沿着导流板2流至保温筒体1底部的释热口5，同时冲刷相变管束，实现相变管束热量的释放。

本申请实施例一种基于阶梯式相变管束的储热与释热装置的实施原理为：在保温筒体1储热时，热介质从进液口3输入，部分热量可导致相变管7内相变材料融化，其吸收热量并进行储存。当热介质充足时，出液口4用于向外输出热介质。当装置无热介质输入，且需要连续释热时，利用导入的冷液体从上至下，绕流冲刷过已经蓄热的相变管7，相变管7内材料发生相变并释放潜热，液体被加热并不断升温，相应地，设置的相变管7从上到下，相变温度呈阶梯逐渐上升，最顶部相变温度接近常温，最底部的相变温度接近要求的出口温度。这种阶梯分布的相变温度，保证了相变管7的充分释热，经过多孔导流板2的绕流与导流孔21泄流，强化了相变管7与液体之间的换热。所以，能够利用这种阶梯设置的相变管束即可实现常规储热，亦可实现保温筒体1的充分释热。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于阶梯式相变管束的储热与释热装置，其特征在于：包括：

保温筒体（1），所述保温筒体（1）内自上而下设有多层导流板（2），所述保温筒体（1）的下端设置有进液口（3），上端设置有出液口（4）；

相变管束，包括多个内置有相变材料的相变管（7），多个相变管（7）设置在各层导流板（2）上，相变管束对应的相变温度从保温筒体（1）的上端至下端呈阶梯递增；

释热通道，包括设置在所述保温筒体（1）上端的冷液补液口（6）、由所述保温筒体（1）内导流板（2）分隔形成的释热内腔（9）和位于所述保温筒体（1）下端的释热口（5）；

所述导流板（2）与所述保温筒体（1）的侧壁之间设置有导流间隙（8），不同层所述导流板（2）上的所述导流间隙（8）的位置交替分布。

2.根据权利要求1所述的一种基于阶梯式相变管束的储热与释热装置，其特征在于：所述导流板（2）倾斜设置，不同层上的所述导流板（2）的倾斜方向交替设置，所述冷液补液口（6）位于最上层导流板（2）的高端侧的上方，所述释热口（5）位于最下层导流板（2）的低端侧位置。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于阶梯式相变管束的储热与释热装置，其特征在于：所述导流板（2）上垂直于板面贯穿有导流孔（21）。

4.根据权利要求3所述的一种基于阶梯式相变管束的储热与释热装置，其特征在于：上一层所述导流板（2）上的导流孔（21）正对于下一层所述导流板（2）上的相变管（7）。

5.根据权利要求4所述的一种基于阶梯式相变管束的储热与释热装置，其特征在于：所述相变管（7）沿所述冷液补液口（6）的进液方向横向排布，且各层导流板（2）上分布的相变管（7）顺导流板（2）倾斜方向成阶梯状排布。

6.根据权利要求5所述的一种基于阶梯式相变管束的储热与释热装置，其特征在于：同一所述导流板（2）上的所述相变管（7）与所述导流孔（21）依次间隔分布。

7.根据权利要求1所述的一种基于阶梯式相变管束的储热与释热装置，其特征在于：所述相变管（7）的管壁材料为具高导热系数的金属材料或陶瓷材料。

8.根据权利要求1所述的一种基于阶梯式相变管束的储热与释热装置，其特征在于：所述保温筒体（1）的顶部呈弧形凸起状。

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