CN113295035A - 一种相变材料专用换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种相变材料专用换热器，包括第一管道，第二管道，若干根第三管道和蹼片，第二管道套设在第一管道内，若干根第三管道套设在第二管道内，蹼片分别连接第二管道与第三管道，第一管道与第二管道之间以及第三管道内流通有作为热量携带介质的第一流体，第二管道与第三管道之间流通有作为换热介质的第二流体。本发明结构简单，换热效率高，能源利用率高，不仅可用于相变材料的能量储存与释放，还可满足其他导热性能较差流体的换热需求，应用范围较广。

Description

一种相变材料专用换热器

技术领域

本发明涉及强化换热领域，特别是涉及一种相变材料专用换热器。

背景技术

能源是维持人们日常生产生活的重要支柱，随着科技的不断发展，各国每年都需要消耗大量的能源来维持人们的需求。为了降低能源的消耗，节能减排也已成为各行各业的研究重点，通过储存过剩能源来补充能源需求得到了人们的广泛重视。

相变材料储能技术可利用相变材料的物态转变进行能量的储存与释放，具有储能密度大、温度近似恒定等优点，是一种具有巨大发展前景的储能材料。随着相变材料研究的不断深入，与之相关的换热方案也需要不断改进。但是，相变材料的导热性普遍较差，换热时间较长，应用相变材料储能技术的能量储存与释放所需时间较长，换热功率较低仍是这一材料不能广泛应用于日常生产生活的一大难点。因此，强化传热技术，降低相变材料储能时间对提高换热效率有重要意义。

换热器作为流体间能量交换的常见设备，具有较高的换热效率，被广泛应用于各种换热过程中。对于使用相变材料作为换热流体的换热器，需要进一步强化换热器的换热功率，，现有技术中，增加换热器的换热功率一般采用多级联储热的方式，或在相变材料中添加高导热系数的材料等方法来强化换热以及增大换热面积。然而，多级联储热设备需要更多投资成本建造更大的换热设备，造价较高；在相变材料中添加高导热系数的材料(如高导热性纳米粒子)可切实提高相变材料的导热性，但高导热性的材料也会影响相变材料的相变性能，添加了高导热性纳米粒子的相变材料的相变温度可能也会发生变化，因此这一强化换热技术仍不成熟，还需进一步进行研究；而增大换热面积是使用最普遍，也是最简单的强化换热方法，通过添加翅片，或调整换热器的几何形状就可以增大换热器的有效换热面积。在换热设备的使用过程中，换热器的内壁所积累的污垢会降低换热器的传热效率，而对于添加了翅片的换热器，由于翅片的排列较为紧密，其污垢清理较为费劲，需耗费更多人工清理费用。

发明内容

本发明的目的是提供一种相变材料专用换热器，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种相变材料专用换热器，包括第一管道，第二管道，若干根第三管道和蹼片；

所述第二管道套设在所述第一管道内，若干根所述第三管道套设在所述第二管道内；

所述蹼片分别连接所述第二管道与第三管道；

所述第一管道与第二管道之间以及第三管道内流通有作为热量携带介质的第一流体，所述第二管道与所述第三管道之间流通有作为换热介质的第二流体。

优选的，所述蹼片包括第一蹼片和第二蹼片，所述第一蹼片和所述第二蹼片的两端与所述第二管道的内壁固接；所述第三管道外壁与所述第一蹼片之间连接有分支蹼片。

优选的，所述第一蹼片与所述第二蹼片相互垂直；任意相邻的所述第三管道相对于所述第一蹼片对称设置，任意相邻的所述第三管道相对于所述第二蹼片对称设置；所述第一蹼片和所述第二蹼片上分别开设有用于连通两侧的连通孔。

优选的，所述第一流体为导热流体，所述第二流体为相变材料。

优选的，所述相变材料为液气相变材料。

优选的，所述第一管道的材质为隔热材料。

优选的，所述第二管道和所述第三管道的材料为高导热材料。

优选的，所述蹼片的材料为高导热材料。

本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种相变材料专用换热器，与现有技术相比，本发明通过调整第三换热管的分布，将第三换热管设置为若干根，在不改变第三换热管流通截面的前提下，增加了第三换热管的内表面积和外表面积，增加了第三换热管的内表面与第三流体以及第三换热管外表面和第二流体的接触面接，接触面接增加加大了有效换热面积，换热效率增加；本发明的设计结构简单，不存在弯折死角，不易积存污垢，长时间使用后清理方便，维护费用低；蹼片固定设置在第二管道内，首先，将第二管道内的第二流体进行分隔，防止第二流体在流通过程中形成涡流，并在第二流体内形成紊流，在其他参数相同的条件下，紊流的换热效率高于涡流，提高了换热效率；其次蹼片连接第二管道和第三管道，同时蹼片与第二流体接触，第二管道和第三管道的热量通过蹼片传导，相当于增加了第二管道和第三管道与第二流体的接触面接，使第二流体受热更加均匀，提高了换热效率；蹼片的存在还对第三管道起支撑作用，防止使用过程中第三管道在第二管道内的位置发生偏移，影响换热效果；本发明结构简单，换热效率高，能源利用率高，不仅可用于相变材料的能量储存与释放，还可满足其他导热性能较差流体的换热需求，应用范围较广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明相变材料专用换热器三维视图；

图2为本发明相变材料专用换热器结构示意图；

图3为本发明实施例2的三维视图；

图4为本发明实施例2的换热器结构示意图；

图5为本发明实施例2的第一管道结构示意图；

图6为本发明实施例2的第二管道结构示意图；

图7为本发明实施例2的第三管道结构示意图；

其中，1-第一管道，2-第二管道，3-第三管道，4-第一流体，5-蹼片，51-第一蹼片，52-第二蹼片，53-分支蹼片，6-第二流体,7-传热块，11-第一内层，12-第一外层，13-支撑柱，14-隔热涂层，15-填充腔，21-第二管壁，22-第二防护层，31-第三防护层，32-第三管壁，33-拨片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

参照图1-2，本发明提供一种相变材料专用换热器，进一步优化方案，包括第一管道1，第二管道2，若干根第三管道3和蹼片5，

所述第二管道2套设在所述第一管道1内，若干根所述第三管道3套设在所述第二管道2内；

所述蹼片5分别连接所述第二管道2与第三管道3；

所述第一管道1与第二管道2之间以及第三管道3内流通有作为热量携带介质的第一流体4，所述第二管道2与所述第三管道3之间流通有作为换热介质的第二流体6。蹼片5将第二管道内2的第二流体6进行分隔，防止第二流体6在流通过程中形成涡流，并在第二流体6内形成紊流，在其他参数相同的条件下，紊流的换热效率高于涡流，提高了换热效率；蹼片5还能作为第三管道3的支撑结构，防止第三管道3发生位移导致设备损坏。

进一步优化方案，所述蹼片5包括第一蹼片51和第二蹼片52，所述第一蹼片51和所述第二蹼片52的两端与所述第二管道2的内壁固接；所述第三管道3外壁与所述第一蹼片51之间连接有分支蹼片53。

进一步优化方案，所述第一蹼片51与所述第二蹼片52相互垂直；任意相邻的所述第三管道3相对于所述第一蹼片51对称设置，任意相邻的所述第三管道3相对于所述第二蹼片52对称设置；所述第一蹼片51和所述第二蹼片52上分别开设有用于连通两侧的连通孔。

进一步优化方案，所述第一流体4为导热流体，所述第二流体6为相变材料，导热流体用于填充在第一管道1和第二管道2之间以及第三管道3内，作为热量携带介质，需要具备流动性和高导热性。水具有较高的热容和导热性，来源广泛，价格低廉，此外，水还与铜兼容，铜是用于流体路径的最佳导热材料之一，因此水是导热流体的优良选择；抑制性乙二醇溶液是在水中加入乙二醇溶液获得，具有良好的防腐和防冻功能，还能有效灭杀真菌和细菌，降低污染，但是随着乙二醇的浓度升高，抑制性乙二醇溶液的热性能随之降低，最好使用最低浓度的抑制性乙二醇；第二流体6为相变材料，作为换热介质，相变材料吸热和放热的过程中发生相变，有效储存和利用余热；第二管道2和第三管道3为高压管道，防止第二流体6发生相变后压力变化损坏管路。

进一步优化方案，所述相变材料为液气相变材料；由于第二管道2与第三管道3之间的相变材料需要具有流动性，因此选择液气相变材料。

进一步优化方案，所述第一管道1的材质为隔热材料，所述第二管道2和所述第三管道3的材料为高导热材料，所述蹼片5的材料为高导热材料。本发明的换热过程是在第一管道1与第二管道2以及第三管道3内连通第一流体，第二管道2与第三管道3之间连通相变材料构成的第二流体，在换热过程中，第一流体4的温度高于第二流体6，相变材料吸收第一流体4的热量存储，发生相变；当换热间隔时期，第一流体4的温度低于第二流体6，相变材料发生相变放热，对第一流体4加热，有效率用换热过程的余热，提高余热利用率，进而提高换热效率。第一管道1选用隔热材料的目的是减少换热器内部的热量通过第一管道1的外壁向外界传导，降低热量传导过程的流失，提高热传导效率；第二管道2，第三管道3，蹼片5选用高导热材料，如铜，蹼片5与第二管道2和第三管道3分别连接，有利于第一流体4和第二流体6之间的热量传递，蹼片5连接第二管道2和第三管道3，两个管道之间的热量部分通过蹼片5传导，增加了第二管道2和第三管道3与第二流体6的接触面，进一步提高了换热效率。

使用方法：使用本发明的相变材料专用换热器，使用前先检查各管道的密封性，防止管道泄漏；其次检查第一流体4和第二流体6的流通性，防止运行过程中堵塞；检查完成后，分别向对应的位置连通第一流体4和第二流体6。

当换热器进行第一换热过程时，第一流体4的温度高于第二流体6，根据热力学原理，热量从高温侧向低温侧传递，因此热量由第一流体4向第二流体6转移；第一管道1和第二管道2之间的第一流体4的热量透过第二管道2的管壁，一部分直接被第二流体6吸收，由于蹼片5的导热性高于第二流体6，所以另一部分沿与第二管道2内壁连接的蹼片5传递，然后被蹼片5周边的第二流体6吸收；第三管道3内的第一流体4的热量透过管道壁后，一部分直接被第二流体6吸收，另一部分沿与第三管道3内壁连接的蹼片5传递，然后被蹼片5周边的第二流体6吸收；第二流体6为相变材料，吸热后发生相变，由液态转化为气态，储存热量。

当换热器进行第二换热过程时，第一流体4的温度低于第二流体6，根据热力学原理，热量从高温侧向低温侧传递，因此热量由第二流体6向第一流体4转移；第二管道2的管壁、第三管道3的管壁以及蹼片5同时吸收第二流体6的热量，然后传递给温度较低的第一流体4；第二流体6为相变材料，放热后发生相变，由气态转化为液态，释放热量。

第一换热过程与第二换热过程交替进行，有效提高换热效率，同时流体传递过程的余热也能被有效利用。

本发明结构简单，维护便捷，可靠性高，换热效率高，能源利用率高，不仅可用于相变材料的能量储存与释放，还可满足其他导热性能较差流体的换热需求，应用范围较广。

应用实例1

某供暖公司使用相变材料来储存采暖蒸汽余热，采用本发明所设计的相变材料专用换热器，第一管道1与第二管道2之间、第三管道3内接通第一流体4，第二管道2与第三管道3之间为第二流体6的流动通道，内部为相变材料。本发明可将采暖蒸汽余热快速储存在相变材料中，待供暖间隙，相变材料的热量释放到第一流体4内，对第一流体4加热，减少了再次供暖时的消耗。经过实际测算，本发明较普通换热器增速约30％。

应用实例2

某供暖公司采用本发明所设计的相变材料专用换热器来将相变材料中的热量转移到暖气水中，进而为用户供暖，第一管道1与第二管道2之间、第三管道3内通第一流体4，第二管道2与第三管道3之间为第二流体6的流动通道。本发明在外界温度高时吸收热量，第二流体6吸热发生相变储存能量，外界阳光不足时，可将第二流体6中的热量转移至第一流体4中进行暖气供给。经过实际测算，本发明较普通换热器增速约41％。

应用实例3

某太阳能能源公司使用相变材料来储存太阳能，采用本发明所设计的相变材料专用换热器，第一管道1与第二管道2之间、第三管道3内通第一流体4，第二管道2与第三管道3之间为第二流体6的流动通道，可将太阳能快速储存在第二流体6中。经过实际测算，本发明较普通换热器增速约36％，防止能量在热量转换过程中大量损耗。

实施例2

根据说明书附图3-7，本实施例与实施例1相比，本实施例中第二管道2的内壁以及第三管道3的外壁周向阵列设置有若干传热块7，传热块7用于增加第二管道2的内壁以及第三管道3的外壁与第二流体6的有效接触面接，增加换热效率。

本实施例2中，第一管道1包括平行设置的第一内层11和第一外层12，第一内层11和第一外层12之间设置有支撑柱13，用于支撑第一内层11和第一外层12，增加强度，第一内层11和第一外层12之间设置填充腔15，填充腔15内抽真空或者填充其他高隔热材质液体或气体，用于增加第一内层11和第一外层12之间的隔热性能，减少第一流体4的热量通过第一管道1的管壁的流失量；第一外层12上敷设有隔热涂层14，进一步增加隔热保温性，同时对第一管道1起防腐防污染作用。

第二管道2包括第二管壁21，第二管壁21外敷设有第二防护层22，保护第二管壁21不受第一流体4的腐蚀；第二管壁21的内缘周向阵列设置有若干传热块7，用于增加第二流体6与第二管道2的接触面接，增加换热效率。

第三管道3包括第三管壁32，第三管壁32内敷设有第三防护层31，用于保护第三管壁32不受第一流体4的腐蚀；第三管壁32外同样周向阵列固定有若干传热块7，用于增大第三管壁32与第二流体6的接触面接，增加换热效率；第三管道3内各一端距离设有一段拨片33，拨片33为螺旋形结构，设有螺旋形通道，每间隔5m-10m设置一个，由于第一流体4在第三管道3内流动时，外层的第一流体4接触第三管道3的管壁，而内层的第一流体4接触不到管壁，热量只能由中心高温的流体传向低温流体，然后在传递给第三管道3的管道壁，传热效率低，而每隔一段距离设置的拨片33，当第一流体4流过时，流体沿拨片33的螺旋形通道流出，中心高温流体与外侧低温流体混合，防止出现外侧的第一流体4温度下降快二中心的第一流体4温度下降慢导致第一流体4换热不均匀现象，加快了导热效率，进而增加了换热效率。

本实施例公开的相变材料专用换热器换热效率高，换热均匀，减少了热量的浪费，有利于热量的有效利用和减少能源浪费。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种相变材料专用换热器，其特征在于：包括第一管道(1)，第二管道(2)，若干根第三管道(3)和蹼片(5)；

所述第二管道(2)套设在所述第一管道(1)内，若干根所述第三管道(3)套设在所述第二管道(2)内；

所述蹼片(5)分别连接所述第二管道(2)与第三管道(3)；

所述第一管道(1)与第二管道(2)之间以及第三管道(3)内流通有作为热量携带介质的第一流体(4)，所述第二管道(2)与所述第三管道(3)之间流通有作为换热介质的第二流体(6)。

2.根据权利要求1所述的相变材料专用换热器，其特征在于：所述蹼片(5)包括第一蹼片(51)和第二蹼片(52)，所述第一蹼片(51)和所述第二蹼片(52)的两端与所述第二管道(2)的内壁固接；所述第三管道(3)外壁与所述第一蹼片(51)之间连接有分支蹼片(53)。

3.根据权利要求2所述的相变材料专用换热器，其特征在于：所述第一蹼片(51)与所述第二蹼片(52)相互垂直；任意相邻的所述第三管道(3)相对于所述第一蹼片(51)对称设置，任意相邻的所述第三管道(3)相对于所述第二蹼片(52)对称设置；所述第一蹼片(51)和所述第二蹼片(52)上分别开设有用于连通两侧的连通孔。

4.根据权利要求1所述的相变材料专用换热器，其特征在于：所述第一流体(4)为导热流体，所述第二流体(6)为相变材料。

5.根据权利要求3所述的相变材料专用换热器，其特征在于：所述相变材料为液气相变材料。

6.根据权利要求1所述的相变材料专用换热器，其特征在于：所述第一管道(1)的材质为隔热材料。

7.根据权利要求1所述的相变材料专用换热器，其特征在于：所述第二管道(2)和所述第三管道(3)的材料为高导热材料。

8.根据权利要求1所述的相变材料专用换热器，其特征在于：所述蹼片(5)的材料为高导热材料。

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