CN113375493B - 一种新型多级板式集储换热一体相变储释热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型多级板式集储换热一体相变储释热装置，包括外壳和储热结构，储热结构设置在外壳内，在储热结构外侧与外壳的四个壳板之间分别设有一层保温板，储热结构包括多级板式模块化相变单元和若干换热盘管；多级板式模块化相变单元和若干换热盘管之间上下交替布置，每级板式相变单元的前后两侧均与外部连通，相邻两个相变储热模块之间设有间隙，若干间隙形成换热流体区域；在储热结构的两侧分别设有左侧盖板和右侧盖板，每层换热盘管的进出液口依次穿过右侧盖板、右侧保温板和右侧的壳板；在换热流体区域和换热盘管内通入不同种类换热流体。本发明结构简单，换热效率高，适用温度范围广，设备热容量可调节，能同时进行储释热操作。

Description

一种新型多级板式集储换热一体相变储释热装置

技术领域

本发明属于储热设备技术领域，尤其是涉及一种新型多级板式集储换热一体相变储释热装置。

背景技术

储热技术是以储热材料为媒介将太阳能光热、地热、工业余热、低品位废热等热能储存起来，可以有效解决时空分布不均或能源供给与需求间不匹配所带来的问题,最大限度地提高整个系统的能源利用率、降低能源利用成本而逐渐发展起来的一种技术。储热技术对构建“清洁低碳、安全高效”的现代能源产业体系，助力实现碳达峰、碳中和，推进我国能源行业供给侧改革、能源生产和利用方式变革具有重要战略意义。

储热技术主要分为显热、潜热(相变)和热化学三种形式。显热储热具有储热密度小、技术简单、原料来源广泛、价格低廉的特点受到大规模应用；相变储热具有较高的储热密度、稳定的相变温度，将陶瓷与相变材料复合，即显热-潜热的结合，可以进一步提高储热密度、减小储热系统体积，该技术目前处于中试阶段；热化学储热具有储热密度大、储热时间长，但是技术不成熟、难度大，该技术目前处于初级研究阶段。然而，相对于目前储能需求的快速发展和国家对储能技术的重视，储热技术的发展速度较为缓慢，相变储热技术还无法进行大规模的应用。其中，相变储释热装置是储热系统的核心设备，目前相变储释热装置较多采用壳管式结构和堆积床式结构。壳管式结构常采用蛇形或螺旋形结构，导致整体储热装置流阻较大，也带来换热管的制造、安装、固定等工艺较复杂的问题，制造成本较高；相比而言堆积床式结构具有结构简单，储存成本低以及用于较宽的温度范围等优点，同时可与太阳能集热系统以及热发电系统等相结合。然而，无论管壳式结构还是堆积床式结构，两种相变储释热装置的额定储热量一定，热容量不可调，适用范围具有一定局限性，当热源参数(温度和流量)变化较大时，往往需要重新设计储热装置。因此，需要研发一个同时进行集储放热一体的相变储释热装置，并且储热量可以调节，装置结构简单，可以满足不同应用场景的储释热需求，为可再生能源与大规模储热、工业余热回收、电网调峰、建筑节能等领域提供有力的支持。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种新型多级板式集储换热一体相变储释热装置，结构简单，换热效率高，适用温度范围广，设备热容量可调节，且能同时进行储释热操作。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种新型多级板式集储换热一体相变储释热装置，包括外壳和储热结构，所述的外壳为由上下左右四个壳板组成的框型结构，所述的储热结构设置在外壳内，且在储热结构外侧与外壳的四个壳板之间分别设有一层保温板，所述的储热结构包括多级板式模块化相变单元和若干换热盘管；

多级板式模块化相变单元和若干换热盘管之间上下交替布置，每一级板式模块化相变单元均包括若干相变储热模块、上密封盖板和下密封盖板，若干相变储热模块固定在上密封盖板和下密封盖板上，在每级板式模块化相变单元的左右两侧各分别设有一可拆卸的侧密封盖板，每级板式模块化相变单元的前后两侧均与外部连通，且相邻两个相变储热模块之间设有间隙，若干间隙形成换热流体区域；

在储热结构的左右两侧分别设有左侧盖板和右侧盖板，每层换热盘管的进液口和出液口依次穿过右侧盖板、右侧保温板和右侧的壳板设置；在换热流体区域和换热盘管内通入不同种类换热流体。

进一步的，储热结构的最上层和最下层均为板式模块化相变单元。

进一步的，每一级所述板式模块化相变单元的若干相变储热模块呈蜂窝式排列。

进一步的，在下密封盖板的顶部和上密封盖板底部分别设有若干安装槽。

进一步的，在右侧盖板、右侧保温板和右侧壳体的对应位置分别开有用于穿设若干换热盘管的进液口和出液口的通孔。

进一步的，所述相变储热模块由宏观封装相变材料或复合相变材料组成。

进一步的，在换热盘管的进液口、出液口处均设有温度传感器和流量传感器，多级板式模块化相变单元沿流体流动方向设置多个温度传感器。

进一步的，所有盖板和壳板均是厚度为1～5mm的不锈钢。

相对于现有技术，本发明所述的一种新型多级板式集储换热一体相变储释热装置具有以下优势：

本发明可以方便地更换相变储热单元，进而可根据不同用热场景边界条件增添封装PCM(相变储热模块)单元数量或更换PCM(相变储热模块种类)，实现相变储热装置热容量的调节，提高装置适用范围，各组成部件可模块化生产，组装、更换便捷，经济投资成本降低。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述的一种新型多级板式集储换一体相变储释热装置的立体结构示意图；

图2为本发明所述的一种新型多级板式集储换一体相变储释热装置的结构分解图；

图3为本发明所述的相变储释热装置的储热结构的结构示意图；

图4为本发明所述的相变储释热装置的多级板式模块化相变单元的结构示意图；

图5为本发明所述的相变储释热装置的换热盘管的结构示意图；

图6为本发明所述的相变储释热装置的多级板式模块化相变单元和换热盘管组合结构示意图。

附图标记说明：

1-相变储热模块；2-上密封盖板；3-换热流体区域；4-换热盘管；5-左侧盖板；6-保温板；7-壳板；8-下密封盖板；9-侧密封盖板；10-右侧盖板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图6所示，一种新型多级板式集储换热一体相变储释热装置，包括外壳和储热结构，所述的外壳为由上下左右四个壳板7组成的框型结构，所述的储热结构设置在外壳内，且在储热结构外侧与外壳的四个壳板7之间分别设有一层保温板6，所述的储热结构包括多级板式模块化相变单元和若干换热盘管4；

多级板式模块化相变单元和若干换热盘管4之间上下交替布置，每一级板式模块化相变单元均包括若干相变储热模块1、上密封盖板2和下密封盖板8，若干相变储热模块1固定在上密封盖板2和下密封盖板8上，在每级板式模块化相变单元的左右两侧各分别设有一可拆卸的侧侧密封盖板9，每级板式模块化相变单元的前后两侧均与外部连通，且相邻两个相变储热模块1之间设有间隙，若干间隙形成换热流体区域3；

在储热结构的左右两侧分别设有左侧盖板和右侧盖板10，每层换热盘管4的进液口和出液口依次穿过右侧盖板10、右侧保温板和右侧的壳板设置；在换热流体区域3和换热盘管4内通入不同种类换热流体。例如在负载端有较低的能量需求时，换热流体区域3中可通入高导热的换热流体如导热油等换热介质，可以有效提高相变储热模块1的储热效率，而换热盘管4中可根据要求选取导热系数较低的换热流体如空气等换热介质，从而在快速输入端热量的同时，更灵活的控制输出端的能量。

储热结构的最上层和最下层均为板式模块化相变单元。如此布置，使得得到较好的换热效果。

每一级所述板式模块化相变单元的若干相变储热模块呈蜂窝式排列，增大换热面积的同时，可以让储热空间换热更加均匀。

在下密封盖板8的顶部和上密封盖板2底部分别设有若干安装槽，用于相变储热模块的固定，使得相变储热模块在级板式模块化单元中呈现蜂窝状排列，储热空间换热更加均匀。

在右侧盖板、右侧保温板和右侧壳体的对应位置分别开有用于穿设若干换热盘管的进液口和出液口的通孔，便于换热盘管4进液口、出液口的安装。

所述相变储热模块由宏观封装相变材料或复合相变材料组成。宏观封装相变材料可用陶瓷材料等为封装外壳，内部填充相变储热材料；复合相变材料中以陶瓷材料等为骨架材料，并与相变储热材料混合压制。相变材料中可加入导热增强材料从而提高储释热速率，并根据实际工况需求，选取适宜相变温度的相变材料。

在换热盘管4的进液口、出液口处均设有温度传感器和流量传感器，多级板式模块化相变单元沿流体流动方向设置多个温度传感器。用户可根据所述温度传感器监测储热结构中相变储热模块温度变化，同时根据流量传感器调节换热流体流量。

所有盖板和壳板7均是厚度为1～5mm的不锈钢。保温层导热系数应小于0.05W/(m.K)。设置保温层可降低储热装置的热量流失，提高储热装置的利用效率。

所述相变储热模块可根据实际温度需求进行更换。所述多级板式模块化相变单元可根据实际储热容量需求进行增减。

相变储热模块1和四侧可拆卸的密封盖板组成多级板式模块化单元，通过打开四侧的密封盖板，即可实现根据不同工况来改变相变储热模块1数量或更换相变储热模块1种类，进而实现相变储热装置的热容量或适用温度的调节。

当适用工况流量发生较大变化时，所需相变储热装置热容量将随之变化，用户可根据需求增/减封装PCM单元数量，以满足用热端需求。

当适用工况温度发生较大变化时，所需相变储热装置适用温度将随之变化，在低温环境时，用户可选用石蜡等相变材料封装在陶瓷材料中，或与陶瓷材料混合压制成复合相变材料；在中高温环境时，用户可选用硝酸盐等相变材料封装在陶瓷材料中，或与陶瓷材料混合压制成复合相变材料。

另外，储热装置各组成部件均采用模块化设计，生产、组装方便，只需更换相变储热模块1即可满足一套相变储热装置适用于多种场景，经济投资成本降低。

本申请中多级板式模块化相变单元和换热盘管4共同组成储热结构，换热流体可从储热结构的换热流体区域3和换热盘管4内通过，从而实现储放热一体化过程。

本申请的工作过程：储放热阶段：在传统的储热装置中，储热阶段和放热阶段的实现，需要分别通入不同温度的换热流体来与装置内的相变储热单元进行换热，所以两个阶段必须分开进行。在实际应用过程，例如太阳能电站中，为了满足负载端的稳定输出，常需要在储热装置外面接一旁通管路，通过阀门的开度调节来克服储热装置在储热阶段无法同时放热的问题。在实验室中，外加管道和阀门将使得装置整体占地面积过大，且控制复杂。在本实施例中，通过太阳能集热器获得的热流或工业余热的换热流体，将从储热结构两侧的换热流体区域3流过，使高温流体和蜂窝状排列的相变储热模块1进行充分换热，相变储热模块1中的相变材料由于吸收热量逐渐由固态变为液态，完成热量存储过程。与此同时，另一种换热流体可以同时流经换热盘管4，将热量从储释热装置释放出来。从而达到了集储换一体同时进行。

本实施例中可设计生产具有相同规格但相变温度不同的相变储热模块1，根据不同场景更换相应的相变储热模块1种类及数量，即可满足用热需求。而在设计过程中，相变储热装置其它部件(密封盖板、换热流体区域3、换热盘管4、盖板等)结构参数固定不变，以实现模块化生产，大大提高生产效率，便于规模化推广。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多级板式集储换热一体相变储释热装置，其特征在于：包括外壳和储热结构，所述的外壳为由上下左右四个壳板(7)组成的框型结构，所述的储热结构设置在外壳内，且在储热结构外侧与外壳的四个壳板(7)之间分别设有一层保温板(6)，所述的储热结构包括多级板式模块化相变单元和若干换热盘管(4)，

多级板式模块化相变单元和若干换热盘管(4)之间上下交替布置，每一级板式模块化相变单元均包括若干相变储热模块(1)、上密封盖板(2)和下密封盖板(8)，若干相变储热模块(1)固定在上密封盖板(2)和下密封盖板(8)上，在每级板式模块化相变单元的左右两侧各分别设有一可拆卸的侧密封盖板(9)，每级板式模块化相变单元的前后两侧均与外部连通，且相邻两个相变储热模块(1)之间设有间隙，若干间隙形成换热流体区域(3)，

在储热结构的左右两侧分别设有左侧盖板(5)和右侧盖板(10)，每层换热盘管(4)的进液口和出液口依次穿过右侧盖板(10)、右侧保温板和右侧的壳板设置；在换热流体区域(3)和换热盘管(4)内通入不同种类换热流体。

2.根据权利要求1所述的一种多级板式集储换热一体相变储释热装置，其特征在于：储热结构的最上层和最下层均为板式模块化相变单元。

3.根据权利要求1所述的一种多级板式集储换热一体相变储释热装置，其特征在于：每一级所述板式模块化相变单元的若干相变储热模块呈蜂窝式排列。

4.根据权利要求1所述的一种多级板式集储换热一体相变储释热装置，其特征在于：在下密封盖板(8)的顶部和上密封盖板(2)底部分别设有若干安装槽。

5.根据权利要求1所述的一种多级板式集储换热一体相变储释热装置，其特征在于：在右侧盖板、右侧保温板和右侧的壳板的对应位置分别开有用于穿设若干换热盘管的进液口和出液口的通孔。

6.根据权利要求1所述的一种多级板式集储换热一体相变储释热装置，其特征在于：所述相变储热模块由宏观封装相变材料或复合相变材料组成。

7.根据权利要求1所述的一种多级板式集储换热一体相变储释热装置，其特征在于：在换热盘管(4)的进液口、出液口处均设有温度传感器和流量传感器，多级板式模块化相变单元沿流体流动方向设置多个温度传感器。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种多级板式集储换热一体相变储释热装置，其特征在于：所有盖板和壳板(7)均是厚度为1～5mm的不锈钢。

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