CN113483589B - 一种基于分形树状肋片的储热换热器 - Google Patents

一种基于分形树状肋片的储热换热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分形树状肋片的储热换热器，包括金属外壳，第一流体入口、第二流体出口，第一流体出口，第二流体出口，多个第二流体输送管，分形树状肋片，分形树状输液通道及固液相变材料；多个分形树状肋片形成多个容纳腔体，在容纳腔体中填充固液相变材料。储热换热器可采用3D打印技术一体成型，选用高热导率的金属材料等。本换热器可有效解决由于固液相变材料热导率低而导致的储热换热效率低的问题。

Description

一种基于分形树状肋片的储热换热器
技术领域
本发明涉及换热器技术领域，具体涉及一种基于分形树状肋片的储热换热器。
背景技术
储热换热器广泛应用于高功率器件热管理领域，储热换热器的核心材料为固液相变材料，而固液相变材料的低热导率严重限制了其热响应速度，是实际工程应用中的共性问题。因此，采用强化传热措施提升相变储热器的换热效率对其工程应用至关重要。
一般主要从相变储热换热器的整体结构优化及相变材料热导率提升两个方面出发。在结构优化方面，最有效的方式之一就是增加换热面积，即增加储热换热器与相变材料的接触面积。肋片是增加换热面积的常用方法，但肋片的结构和布置方式对储热换热器的传热性能影响较大。在相变材料热导率提升方面，强化相变材料换热性能的方法主要有三种，即组合相变材料，复合相变材料和相变材料微胶囊化。
综上，在强化相变换热技术中，增加肋片换热面积和提升相变材料有效热导率是提高储热换热器热响应速度的关键。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于分形树状肋片的储热换热器，包括：
金属壳体，其顶部设置有第一流体入口和第二流体出口；所述金属壳体的底部设置有第一流体出口和第二流体入口；
顶板，其设置在金属壳体内，且所述顶板与金属壳体的顶部内壁形成第一密闭空间，所述第二流体出口与第一密闭空间连通；
底板，其设置在金属壳体内，且所述底板与金属壳体的底部内壁形成第二密闭空间，所述第二流体入口与第二密闭空间连通；
多个第二流体输送管，其均匀设置顶板和底板之间，且多个第二流体输送管的一端与顶板密封设置并与第一密闭空间连通；多个第二流体输送管的另一端与底板密封设置并与第二密闭空间连通；
支撑板，其位于底板的上方且与底板之间留有第一间隙；所述支撑板的边缘与金属壳体的内壁之间留有第二间隙；
多个分形树状肋片，其设置在顶板与支撑板之间，且多个所述分形树状肋片形成多个容纳腔体；且多个容纳腔体中靠近金属壳体内壁的容纳腔体的边缘与金属壳体的内壁之间留有第三间隙；多个所述第二流体输送管分别位于多个容纳腔体内；其中，多个容纳腔体中相邻的容纳腔体之间留有分形树状输液通道，且所述分形树状输液通道与第三间隙相通；所述多个容纳腔体内均填充相变材料；
其中，所述第一流体入口通过第一管道贯穿顶板后与分形树状输液通道连通；所述第一流体出口通过第二管道贯穿底板后与第一间隙连通。
优选的是，多个所述第二流体输送管贯穿支撑板且与支撑板密封连接。
优选的是，多个所述分形树状肋片的一端与顶板密封连接，另一端与支撑板密封连接。
优选的是，所述第一管道与顶板密封连接；所述第二管道与底板密封连接。
优选的是，所述第一流体入口和第一流体出口互换使用；即第一流体入口换为第一流体出口，第一流体出口换为第一流体入口；所述第二流体出口和第二流体入口互换使用；即第二流体出口换为第二流体入口，第二流体入口换为第二流体出口。
优选的是，所述第一流体入口通入热流体，则第二流体入口通入冷流体。
优选的是，所述第一流体入口通入冷流体，则第二流体入口通入热流体。
优选的是，所述储热换热器采用3D打印技术一体成型。
优选的是，所述相变材料为石蜡烃。
优选的是，所述石蜡烃为正十四烷、正十五烷、正十六烷、正十七烷、正十八烷、正十九烷、正二十烷中的一种。
优选的是，所述相变材料的制备方法为：按重量份，将90～95份相变材料原料、4～8份富勒烯和1～1.5份融合剂加入超临界二氧化碳反应釜中，向超临界二氧化碳反应釜中注入二氧化碳，在温度为80～90℃、压力为13～19MPa 的条件下以150～300r/min搅拌45～60min，泄压，得到相变材料；所述相变材料原料为正十六烷、正十四烷、正十五烷、正十七烷、正十八烷、正十九烷、正二十烷和聚乙二醇E600中的一种或多种；所述融合剂为质量比为2：5的三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯和羟基硅油的混合物。
本发明至少包括以下有益效果：本发明的分形树状肋片储热换热器(储热时间约10min)较常规储热换热器(储热时间约45min)极大幅度的提升了储热速率；本发明的换热器可有效解决由于固液相变材料热导率低而导致的储热换热效率低的问题。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明储热换热器的外部整体结构示意图；
图2为本发明储热换热器的剖面结构示意图；
图3为本发明储热换热器的另一视角的剖面结构示意图；
图4为本发明储热换热器的另一视角的剖面结构示意图；
图5为本发明储热换热器的另一视角的剖面结构示意图；
图6为本发明储热换热器的内部整体结构示意图(无外壳)；
图7为本发明储热换热器的另一视角的剖面结构示意图；
图8为本发明储热换热器的局部剖面结构示意图；
图9为本发明储热换热器在计算中的温度分布和固相分数分布图 (5min)；
图10为本发明储热换热器在计算中的温度分布和固相分数分布图 (10min)；
图11为本发明储热换热器的局部剖面结构示意图；
图12为本发明储热换热器1#～4#位置的温度曲线；
图13为本发明储热换热器1#～4#位置的固相分数曲线；
图14为本发明储热换热器和常规肋片换热器在计算中的温度分布和固相分数分布图(10min)；
图15为常规肋片换热器在计算中的温度分布和固相分数分布图 (40min)；
图16为本发明储热换热器和常规肋片的换热器在2#～3#位置的温度分布图；
图17为本发明储热换热器和常规肋片的换热器在2#～3#位置的固相分数分布图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语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和简化描述，并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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，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，可以是两个元件内部的连通，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中的具体含义。
此外，在本发明中，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。
本发明公开了一种基于分形树状肋片的储热换热器，包括：
金属壳体1，其顶部设置有第一流体入口2和第二流体出口3；所述金属壳体1的底部设置有第一流体出口4和第二流体入口5；
顶板6，其设置在金属壳体1内，且所述顶板6与金属壳体1的顶部内壁形成第一密闭空间7，所述第二流体出口3与第一密闭空间7连通；
底板8，其设置在金属壳体1内，且所述底板8与金属壳体1的底部内壁形成第二密闭空间9，所述第二流体入口5与第二密闭空间9连通；
多个第二流体输送管10，其均匀设置顶板6和底板8之间，且多个第二流体输送管10的一端与顶板6密封设置并与第一密闭空间7连通；多个第二流体输送管10的另一端与底板8密封设置并与第二密闭空间9连通；
支撑板11，其位于底板8的上方且与底板8之间留有第一间隙12；所述支撑板11的边缘与金属壳体1的内壁之间留有第二间隙13；
多个分形树状肋片14，其19设置在顶板6与支撑板11之间，且多个所述分形树状肋片14形成多个容纳腔体15；且多个容纳腔体15中靠近金属壳体1内壁的容纳腔体的边缘与金属壳体1的内壁之间留有第三间隙16；多个所述第二流体输送管10分别位于多个容纳腔体15内；其中，多个容纳腔体 15中相邻的容纳腔体之间留有分形树状输液通道17，且所述分形树状输液通道17与第三间隙16相通；所述多个容纳腔体15内均填充相变材料20；其中，第三间隙、第二间隙和第一间隙相通；
其中，所述第一流体入口2通过第一管道18贯穿顶板6后与分形树状输液通道17连通；所述第一流体出口4通过第二管道19贯穿底板8后与第一间隙连通。
在上述技术方案中，将热流体注入第一流体入口2，热流体通过第一管道18进入分形树状输液通道17，热流体的热量通过多个分形树状肋片传递进入多个容纳腔体15中，容纳腔体中填充的相变材料吸收热量，同时将冷流体注入第二流体入口5，冷流体进入第二密闭空间，然后流入多个第二流体输送管10，相变材料吸收的热量传递至多个第二流体输送管10，并传递给冷流体，实现热交换，热流体从分形树状输液通道17流向第三间隙16后通过入第二间隙进入第一间隙，并最终从第二管道的第一流体出口4流出；冷流体从多个第二流体输送管10流出进入第一密闭空间，并最终从第二流体出口 3流出；采用本发明的这种技术方案，通过设置多个分形树状肋片，增加了肋片换热面积，提高了储热换热器热响应速度。
在上述技术方案中，多个所述第二流体输送管10贯穿支撑板11且与支撑板11密封连接。
在上述技术方案中，多个所述分形树状肋片的一端与顶板密封连接，另一端与支撑板密封连接，采用这种方式，可以形成密闭的容纳腔体，保证相变材料不会泄露。
在上述技术方案中，所述第一管道与顶板密封连接；所述第二管道与底板密封连接。
在上述技术方案中，所述第一流体入口和第一流体出口互换使用；即第一流体入口换为第一流体出口，第一流体出口换为第一流体入口；所述第二流体出口和第二流体入口互换使用；即第二流体出口换为第二流体入口，第二流体入口换为第二流体出口。采用这种方式，可以方便不同流体的换热需求。
在上述技术方案中，所述第一流体入口通入热流体，则第二流体入口通入冷流体。
在上述技术方案中，所述第一流体入口通入冷流体，则第二流体入口通入热流体。
在上述技术方案中，所述相变材料为石蜡烃。
在上述技术方案中，所述石蜡烃为正十四烷、正十五烷、正十六烷、正十七烷、正十八烷、正十九烷、正二十烷中的一种。
在上述技术方案中，所述相变材料的制备方法为：按重量份，将90～95 份相变材料原料、4～8份富勒烯和1～1.5份融合剂加入超临界二氧化碳反应釜中，向超临界二氧化碳反应釜中注入二氧化碳，在温度为80～90℃、压力为 13～19MPa的条件下以150～300r/min搅拌45～60min，泄压，得到相变材料；所述相变材料原料为正十六烷、正十四烷、正十五烷、正十七烷、正十八烷、正十九烷、正二十烷和聚乙二醇E600中的一种或多种；所述融合剂为质量比为2：5的三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯和羟基硅油的混合物。
实施例1：
采用上述的基于分形树状肋片的一体式储热换热器，其材质选择铝合金；在多个容纳腔体内均填充相变材料正十六烷，其相变点为291K；在第一流体入口注入热流体(303K，水)，第二流体入口注入冷流体(283K，水)，计算模型，本次计算中：相变材料选用：正十六烷，相变点：291K；冷流体温度：283K；热流体温度：303K。结果分析如图8～10所示；
如图11，提取储热换热器如下4个位置处的不同时刻的温度及固相分数；从1#～4#的温度曲线及固相分数曲线(图12～13)可以看出，该储热换热器可在10分钟完成储热，2#点附近为最后完成储热的区域。
采用相同的条件，对本发明的分形肋片储热换热器与常规肋片对比，结果如图14～15所示；
从上述温度分布图及固相分数图可知，在分形肋片储热换热器储热时， 2#附近为最后完成储热的区域；在常规肋片储热换热器储热时，3#附近为最后完成储热的区域，因此对比分析这两个点的温度及固相分数随时间变化曲线，如图16～17所示；本发明分形树状肋片储热换热器(储热时间约10min) 较常规储热换热器(储热时间约45min)极大幅度的提升了储热速率。
实施例2：
采用上述的基于分形树状肋片的一体式储热换热器，其材质选择铝合金；在多个容纳腔体内均填充相变材料，所述相变材料的制备方法为：将90g正十六烷、5g富勒烯和1.5g融合剂加入超临界二氧化碳反应釜中，向超临界二氧化碳反应釜中注入二氧化碳，在温度为85℃、压力为18MPa的条件下以 300r/min搅拌60min，泄压，得到相变材料；所述融合剂为质量比为2：5的三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯和羟基硅油的混合物；采用本发明的相变材料，富勒烯对相变材料原料起到强化导热和吸附作用，降低了相变材料相变后的流动性及封装后的泄露风险；融合剂在本发明中对富勒烯起到表面处理的效果，使得富勒烯与相变材料原料的结合性增强，同时采用超临界二氧化碳作为溶剂，可以使富勒烯与相变材料原料具有更强的结合性，使两者混合均匀，且在反应后二氧化碳无残留。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种基于分形树状肋片的储热换热器，其特征在于，包括：
金属壳体，其顶部设置有第一流体入口和第二流体出口；所述金属壳体的底部设置有第一流体出口和第二流体入口；
顶板，其设置在金属壳体内，且所述顶板与金属壳体的顶部内壁形成第一密闭空间，所述第二流体出口与第一密闭空间连通；
底板，其设置在金属壳体内，且所述底板与金属壳体的底部内壁形成第二密闭空间，所述第二流体入口与第二密闭空间连通；
多个第二流体输送管，其均匀设置顶板和底板之间，且多个第二流体输送管的一端与顶板密封设置并与第一密闭空间连通；多个第二流体输送管的另一端与底板密封设置并与第二密闭空间连通；
支撑板，其位于底板的上方且与底板之间留有第一间隙；所述支撑板的边缘与金属壳体的内壁之间留有第二间隙；
多个分形树状肋片，其设置在顶板与支撑板之间，且多个所述分形树状肋片形成多个容纳腔体；且多个容纳腔体中靠近金属壳体内壁的容纳腔体的边缘与金属壳体的内壁之间留有第三间隙；多个所述第二流体输送管分别位于多个容纳腔体内；其中，多个容纳腔体中相邻的容纳腔体之间留有分形树状输液通道，且所述分形树状输液通道与第三间隙相通；所述多个容纳腔体内均填充相变材料；
其中，所述第一流体入口通过第一管道贯穿顶板后与分形树状输液通道连通；所述第一流体出口通过第二管道贯穿底板后与第一间隙连通；
多个所述第二流体输送管贯穿支撑板且与支撑板密封连接；
多个所述分形树状肋片的一端与顶板密封连接，另一端与支撑板密封连接；所述第一管道与顶板密封连接；所述第二管道与底板密封连接；
所述储热换热器采用3D打印技术一体成型。
2.如权利要求1所述的基于分形树状肋片的储热换热器，其特征在于，所述第一流体入口和第一流体出口互换使用；即第一流体入口换为第一流体出口，第一流体出口换为第一流体入口；所述第二流体出口和第二流体入口互换使用；即第二流体出口换为第二流体入口，第二流体入口换为第二流体出口。
3.如权利要求1所述的基于分形树状肋片的储热换热器，其特征在于，所述第一流体入口通入热流体，则第二流体入口通入冷流体。
4.如权利要求1所述的基于分形树状肋片的储热换热器，其特征在于，所述第一流体入口通入冷流体，则第二流体入口通入热流体。
5.如权利要求1所述的基于分形树状肋片的储热换热器，其特征在于，所述相变材料为石蜡烃。
6.如权利要求5所述的基于分形树状肋片的储热换热器，其特征在于，所述石蜡烃为正十四烷、正十五烷、正十六烷、正十七烷、正十八烷、正十九烷、正二十烷中的一种。
7.如权利要求1所述的基于分形树状肋片的储热换热器，其特征在于，所述相变材料的制备方法为：按重量份，将90~95份相变材料原料、4~8份富勒烯和1~1.5份融合剂加入超临界二氧化碳反应釜中，向超临界二氧化碳反应釜中注入二氧化碳，在温度为80~90℃、压力为13~19MPa的条件下以150~300r/min搅拌45~60min，泄压，得到相变材料；所述相变材料原料为正十六烷、正十四烷、正十五烷、正十七烷、正十八烷、正十九烷、正二十烷和聚乙二醇E600中的一种或多种；所述融合剂为质量比为2：5的三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯和羟基硅油的混合物。
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