CN113375492B - 真空绝热式蓄热/冷器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种真空绝热式蓄热/冷器，包括壳体，所述壳体的内部填充有储能介质，所述壳体包括壳体内壁、真空层、保温层和壳体外壁，所述壳体内壁、所述真空层、所述保温层和所述壳体外壁从内至外依次设置。本发明提供的真空绝热式蓄热/冷器，能够提高蓄热/冷器在储能和释能交替过程中的温度场稳定性，有效提高了蓄热/冷器的储能特性。

Description

真空绝热式蓄热/冷器
技术领域
本发明涉及储能设备技术领域，尤其涉及一种真空绝热式蓄热/冷器。
背景技术
目前，蓄热/冷器作为储热储冷技术的核心部件，采用填充床结构进行储热或储冷，具有环保、安全稳定以及成本较低的优势，且易于实现大规模应用。而填充床形式的蓄热/冷器的储能效率、传热性能直接依赖于蓄热/冷器内部温度场和流场分布，因此，蓄热/冷器的温度场和流场的优化尤为重要。
现有填充床结构的蓄热/冷器在储能和释能过程中，换热流体沿轴向进入填充床中，与填充床中的储能介质进行换热，以实现能量的存储和释放。而随着换热过程的不断进行以及储能和释能循环的交替变化，靠近填充床壁面的保温层内同样会形成斜温层，保温层内斜温层的存在和变化会对填充床内部的温度场产生不利影响，进而影响蓄热/冷器的储能特性。
发明内容
本发明提供一种真空绝热式蓄热/冷器，能够提高储能和释能交替过程中的温度场稳定性，进而提升了储能特性。
本发明提供一种真空绝热式蓄热/冷器，包括壳体，所述壳体的内部填充有储能介质，所述壳体包括壳体内壁、真空层、保温层和壳体外壁，所述壳体内壁、所述真空层、所述保温层和所述壳体外壁从内至外依次设置。
根据本发明提供的一种真空绝热式蓄热/冷器，所述壳体上沿轴向的两端分别设有第一换热流体进出口和第二换热流体进出口，所述第一换热流体进出口、所述第二换热流体进出口均与所述壳体的内部连通。
根据本发明提供的一种真空绝热式蓄热/冷器，在所述壳体的内部靠近所述第一换热流体进出口的位置处设有第一均流隔板，所述第一均流隔板上设有第一通孔；在所述壳体的内部靠近所述第二换热流体进出口的位置处设有第二均流隔板，所述第二均流隔板上设有第二通孔；所述第一均流隔板、所述第二均流隔板和所述壳体内壁之间围合形成填充腔室，所述储能介质均匀填充于所述填充腔室内。
根据本发明提供的一种真空绝热式蓄热/冷器，所述储能介质为固体材料颗粒，或所述储能介质为相变材料封装胶囊颗粒，或所述储能介质为固体材料颗粒和相变材料封装胶囊颗粒的混合颗粒。
根据本发明提供的一种真空绝热式蓄热/冷器，所述保温层为气凝胶毡层、玻璃棉层、岩棉层、膨胀珍珠岩层或发泡水泥层。
根据本发明提供的一种真空绝热式蓄热/冷器，所述壳体内壁和所述壳体外壁均采用金属材料制成。
根据本发明提供的一种真空绝热式蓄热/冷器，所述保温层为变厚度结构，所述保温层的厚度从所述第二均流隔板处至所述第一均流隔板处逐渐增大。
根据本发明提供的一种真空绝热式蓄热/冷器，所述真空层的厚度设置方法如下：
获取所述真空绝热式蓄热/冷器以及换热流体的基本参数；
设定所述保温层的厚度为d，基于所述真空绝热式蓄热/冷器的基本参数，建立所述真空绝热式蓄热/冷器的二维轴对称的初始物理模型；
采用传热模型分别计算在储能、释能和间歇期的所述真空绝热式蓄热/冷器的内部温度场，获取所述初始物理模型中保温层的基本温度场，绘制间歇期结束后和释能结束时刻对应的保温层中的温度分布图，然后以保温层的厚度为横坐标、以保温层的温度为纵坐标绘制图像，获得温度交点TD；
改变所述初始物理模型，将保温层替换为真空层，设定所述真空层的厚度为d′，利用所述传热模型进行重复计算，获得温度交点T′D；
通过修正d′取值，获取温度交点为TD的物理模型，并获取对应的真空层厚度d′1。
根据本发明提供的一种真空绝热式蓄热/冷器，所述保温层为变厚度结构，所述保温层的厚度从所述第二均流隔板处至所述第一均流隔板处呈阶梯状增大。
根据本发明提供的一种真空绝热式蓄热/冷器，所述保温层的厚度设置方法如下：
基于确定的所述真空层的厚度d′1，在所述真空层的外侧设置均匀厚度的保温层，设定所述保温层的厚度为d，重新建立所述真空绝热式蓄热/冷器的二维轴对称的物理模型；
采用传热模型分别计算在储能、释能和间歇期的所述保温层的温度场，绘制不同时刻的所述保温层的温度分布曲线图；
基于所述保温层的温度分布曲线图，以阶梯状布置所述保温层，将所述保温层划分为多段阶梯，根据温度分布以及阶梯划分计算得出每段阶梯的最大厚度。
本发明中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
本发明提供的真空绝热式蓄热/冷器，在壳体的内部填充有储能介质，壳体包括从内至外依次设置的壳体内壁、真空层、保温层和壳体外壁，也即，通过在保温层与壳体内壁之间填充真空层进行绝热分隔，从而阻止保温层直接接触壳体内壁，进而有效削弱在储能和释能过程交替进行而造成的保温层内温度场的动态变化对蓄热/冷器内部温度场的影响，同时通过真空层的设置实现了更好的绝热效果，有效阻止能量损失，提升了蓄热/冷器的储能特性。由此，本发明提供的真空绝热式蓄热/冷器，能够提高蓄热/冷器在储能和释能交替过程中的温度场稳定性，有效提高了蓄热/冷器的储能特性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的真空绝热式蓄热/冷器的结构示意图。
附图标记：
1：壳体； 101：壳体内壁； 102：真空层；
103：保温层； 104：壳体外壁； 2：储能介质；
3：第一换热流体进出口； 4：第二换热流体进出口； 5：第一均流隔板；
6：第二均流隔板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1本发明的真空绝热式蓄热/冷器的具体实施例。
本发明实施例的真空绝热式蓄热/冷器，包括壳体1，该壳体1的内部填充有储能介质2，其中壳体1包括壳体内壁101、真空层102、保温层103和壳体外壁104，壳体内壁101、真空层102、保温层103和壳体外壁104从内至外依次设置。
也即，通过在保温层103与壳体内壁101之间填充真空层102进行绝热分隔，从而阻止保温层103直接接触壳体内壁101，进而有效削弱在储能和释能过程交替进行而造成的保温层103内温度场的动态变化对蓄热/冷器内部温度场的影响，同时通过真空层102的设置实现了更好的绝热效果，有效阻止能量损失，提升了蓄热/冷器的储能特性。
由此，本发明实施例的真空绝热式蓄热/冷器，能够提高蓄热/冷器在储能和释能交替过程中的温度场稳定性，有效提高了蓄热/冷器的储能特性。
在本发明的一些实施例中，壳体1上沿轴向的两端分别设有第一换热流体进出口3和第二换热流体进出口4，第一换热流体进出口3、第二换热流体进出口4均与壳体1的内部连通。
其中，换热流体可以通过第一换热流体进出口3进入壳体1的内部并与储能介质2进行换热，然后换热后的换热流体再通过第二换热流体进出口4从壳体1排出。换热流体也可以通过第二换热流体进出口4进入壳体1的内部并与储能介质2进行换热，然后换热后的换热流体再通过第一换热流体进出口3从壳体1排出。
在本实施例中，设定位于壳体1底部的端口为第一换热流体进出口3，设定位于壳体1顶部的端口为第二换热流体进出口4。
在本发明的一些实施例中，在壳体1的内部靠近第一换热流体进出口3的位置处设有第一均流隔板5，该第一均流隔板5上设有多个热第一通孔。在壳体1的内部靠近第二换热流体进出口4的位置处设有第二均流隔板6，该第二均流隔板6上设有多个第二通孔。其中，第一均流隔板5、第二均流隔板6和壳体内壁101之间围合形成填充腔室，储能介质2均匀填充于该填充腔室内。
本发明实施例的真空绝热式蓄热/冷器，当作为蓄冷器使用时，可以进行储冷和释冷工作；当作为蓄热器使用时，可以进行储热和释热工作。下面以储冷和释冷过程为例进行具体说明。
在储冷过程中，低温换热流体通过底部的第一换热流体进出口3进入蓄热/冷器内，经过第一均流隔板5换热流体被分散，更为均匀的与储能介质2进行换热，低温换热流体将冷量释放于储能介质2中，然后复温至常温的换热流体由顶部的第二换热流体进出口4流出蓄热/冷器。同时，储能介质2将来自于低温换热流体的冷量吸收并存储，完成储冷过程。
在释冷过程中，常温换热流体通过顶部的第二换热流体进出口4进入蓄热/冷器内，经过第二均流隔板6换热流体被分散，更为均匀的与储能介质2换热，常温换热流体被储能介质2冷却，然后降温后的换热流体由底部的第一换热流体进出口3流出。同时，储能介质2将在储冷过程中存储的冷量释放于常温换热流体，完成释冷过程。
储热、释热过程与储冷、释冷的区别在于，换热流体流向相反，即在储热过程中，高温换热流体由顶部的第二换热流体进出口4进入蓄热/冷器内，从底部的第一换热流体进出口3流出蓄热/冷器；在释热过程中，常温换热流体由底部的第一换热流体进出口3进入蓄热/冷器内，从顶部的第二换热流体进出口4流出蓄热/冷器。
具体来说，壳体1内部填充的储能介质2为固体材料颗粒；或，壳体1内部填充的储能介质2为相变材料封装胶囊颗粒；或，壳体1内部填充的储能介质2为固体材料颗粒和相变材料封装胶囊颗粒的混合颗粒。其中，储能介质2的颗粒直径应大于第一通孔和第二通孔的直径。
具体来说，保温层103为气凝胶毡层、玻璃棉层、岩棉层、膨胀珍珠岩层或发泡水泥层，从而能够有效减小能量损失。
具体来说，壳体内壁101和壳体外壁104均采用强度高、性质稳定且导热系数低的金属材料制成，例如钛、铝、钢等金属材料，从而在确保结构强度的基础上，进一步减小能量损失。
在本发明的一些实施例中，保温层103采用变厚度结构。设定第一均流隔板5、第二均流隔板6和壳体内壁101之间围合形成的腔室内填充储能介质2形成填充床。则需要在填充床的高温段或低温段采用的保温层厚度较大，以避免向环境漏热；在填充床的常温段采用的保温层厚度较小，在保证无漏热现象发生的同时，有效防止过厚保温层因轴向导热产生的交变温度场对填充床内部温度场造成负载影响。
在一种具体实施例中，保温层103的厚度可以设置为从第二均流隔板6处至第一均流隔板5处逐渐增大。在另一种具体实施例中，保温层103的厚度还可以设置为从第二均流隔板6处至所述第一均流隔板5处呈阶梯状增大。
在本发明的一些实施例中，该真空绝热式蓄热/冷器的真空层102的厚度设置方法如下：
获取该真空绝热式蓄热/冷器以及换热流体的基本参数，设定第一均流隔板、第二均流隔板和壳体内壁之间围合形成的腔室内填充储能介质形成填充床。其中，真空绝热式蓄热/冷器的基本参数包括填充床的直径D、填充床的高度H、储能介质的孔隙率ε、储能介质的温度Ts、储能介质的密度ρs、储能介质的比热容cp,s以及储能介质的热导率ks。其中，换热流体的基本参数包括换热流体的密度ρf、换热流体的比热容cp,f、换热流体的热导率kf、换热流体的进口流速uf以及换热流体的进口温度Tf。
设定保温层为均匀厚度，保温层的厚度为d，基于真空绝热式蓄热/冷器的基本参数，建立真空绝热式蓄热/冷器的二维轴对称的初始物理模型。
采用传热模型分别计算在储能、释能和间歇期的真空绝热式蓄热/冷器的内部温度场，获取初始物理模型中保温层的基本温度场，绘制间歇期结束后和释能结束时刻对应的保温层中的温度分布图，然后以保温层的厚度为横坐标、以保温层的温度为纵坐标绘制图像，获得温度交点TD。
其中，传热模型可以采用一维两相局部非平衡传热模型，具体计算公式为：
Figure BDA0003093167900000093
Figure BDA0003093167900000092
其中，ε为储能介质的孔隙率；Ts为储能介质的温度；Tf为换热流体的进口温度；Ta为环境温度；ρs为储能介质的密度；ρf为换热流体的密度；cp,s为储能介质的比热容；cp,f为换热流体的比热容；ks为储能介质的热导率；kf为换热流体的热导率；hv为体积传热系数；uf为换热流体的进口流速；Uw为填充床与环境间的总传热系数；D为填充床的直径；t为传热时间；x为填充床沿轴向的长度变量，H>x>0。
改变初始物理模型，将保温层替换为真空层，设定真空层的厚度为d′，利用传热模型重复进行上述计算过程，获得温度交点T′D。
通过不断修正d′取值，获取温度交点为TD的物理模型，并对应获得真空层厚度d′1。则获得的d′1数值，即为该真空绝热式蓄热/冷器中真空层的最佳设置厚度。
在本发明的一些实施例中，保温层103的厚度设置方法如下：
基于上述实施例中确定的真空层的厚度d′1，在该真空层的外侧设置均匀厚度的保温层，设定该保温层的厚度为d，重新建立真空绝热式蓄热/冷器的二维轴对称的物理模型。
采用上述的传热模型计算公式，重新计算在储能、释能和间歇期的保温层的温度场，绘制不同时刻的保温层的温度分布曲线图。
基于获取的保温层的温度分布曲线图，以阶梯状布置保温层，将所述保温层划分为多段阶梯，根据温度分布以及阶梯划分情况计算得出每段阶梯的最大厚度，则获取的最大厚度即为每段保温层的最佳设置厚度。
其中，每段阶梯的设置高度，可以根据实际物理模型的长径比条件下，计算得出的温度分布中恒温段、温度梯度段进行划分。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种真空绝热式蓄热/冷器，其特征在于，包括壳体，所述壳体的内部填充有储能介质，所述壳体包括壳体内壁、真空层、保温层和壳体外壁，所述壳体内壁、所述真空层、所述保温层和所述壳体外壁从内至外依次设置；
所述壳体上沿轴向的两端分别设有第一换热流体进出口和第二换热流体进出口，所述第一换热流体进出口、所述第二换热流体进出口均与所述壳体的内部连通；
所述真空层的厚度设置方法如下：
获取所述真空绝热式蓄热/冷器以及换热流体的基本参数；
设定所述保温层的厚度为d，基于所述真空绝热式蓄热/冷器的基本参数，建立所述真空绝热式蓄热/冷器的二维轴对称的初始物理模型；
采用传热模型分别计算在储能、释能和间歇期的所述真空绝热式蓄热/冷器的内部温度场，获取所述初始物理模型中保温层的基本温度场，绘制间歇期结束后和释能结束时刻对应的保温层中的温度分布图，然后以保温层的厚度为横坐标、以保温层的温度为纵坐标绘制图像，获得温度交点TD；
改变所述初始物理模型，将保温层替换为真空层，设定所述真空层的厚度为d′，利用所述传热模型进行重复计算，获得温度交点T′D；
通过修正d′取值，获取温度交点为TD的物理模型，并获取对应的真空层厚度d′1。
2.根据权利要求1所述的真空绝热式蓄热/冷器，其特征在于，在所述壳体的内部靠近所述第一换热流体进出口的位置处设有第一均流隔板，所述第一均流隔板上设有第一通孔；在所述壳体的内部靠近所述第二换热流体进出口的位置处设有第二均流隔板，所述第二均流隔板上设有第二通孔；所述第一均流隔板、所述第二均流隔板和所述壳体内壁之间围合形成填充腔室，所述储能介质均匀填充于所述填充腔室内。
3.根据权利要求1或2所述的真空绝热式蓄热/冷器，其特征在于，所述储能介质为固体材料颗粒，或所述储能介质为相变材料封装胶囊颗粒，或所述储能介质为固体材料颗粒和相变材料封装胶囊颗粒的混合颗粒。
4.根据权利要求1或2所述的真空绝热式蓄热/冷器，其特征在于，所述保温层为气凝胶毡层、玻璃棉层、岩棉层、膨胀珍珠岩层或发泡水泥层。
5.根据权利要求1或2所述的真空绝热式蓄热/冷器，其特征在于，所述壳体内壁和所述壳体外壁均采用金属材料制成。
6.根据权利要求2所述的真空绝热式蓄热/冷器，其特征在于，所述保温层为变厚度结构，所述保温层的厚度从所述第二均流隔板处至所述第一均流隔板处逐渐增大。
7.根据权利要求2所述的真空绝热式蓄热/冷器，其特征在于，所述保温层为变厚度结构，所述保温层的厚度从所述第二均流隔板处至所述第一均流隔板处呈阶梯状增大。
8.根据权利要求7所述的真空绝热式蓄热/冷器，其特征在于，所述保温层的厚度设置方法如下：
基于确定的所述真空层的厚度d′1，在所述真空层的外侧设置均匀厚度的保温层，设定所述保温层的厚度为d，重新建立所述真空绝热式蓄热/冷器的二维轴对称的物理模型；
采用传热模型分别计算在储能、释能和间歇期的所述保温层的温度场，绘制不同时刻的所述保温层的温度分布曲线图；
基于所述保温层的温度分布曲线图，以阶梯状布置所述保温层，将所述保温层划分为多段阶梯，根据温度分布以及阶梯划分计算得出每段阶梯的最大厚度。
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