CN113587694A - 变直径脉动热管相变蓄热装置及其热传导强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变直径脉动热管相变蓄热装置及其热传导强化方法,蓄热装置包括壳体、加热室、蓄热室、冷凝室和变直径脉动热管。所述加热室、蓄热室、冷凝室、变直径脉动热管均处于所述壳体中。所述变直径脉动热管在所述三室中直径不同。所述加热室侧部开两个孔连接管道供热工质流体进入、排出；所述冷凝室侧部开两个孔连接管道供冷工质流体进入、排出。所述蓄热室正方开一个方孔供相变材料的放入、取出，通过利用蓄热室内部相变材料的相变,实现热量的吸收、储存、转移与释放,从而将热能重复有效利用。所述装置采用变直径增强热传导的方法，通过脉动热管向相变材料提供热量，相变材料经过吸收热量、储存热量、释放热量三个步骤进行热量的转移。

Description

变直径脉动热管相变蓄热装置及其热传导强化方法

技术领域

本发明涉及新能源动力蓄能领域，具体涉及一种基于变直径脉动热管的高性能蓄放热技术装置及其热传导强化方法。

背景技术

随着现今世界工业发展的加速，煤炭等化石能源的加剧消耗，全球变暖、能源危机等问题相继出现，这些问题甚至直接影响到人类、动植物的生存。在这一背景前提下，节能环保、寻找新能源、新动力来代替煤炭等化石能源已然成为未来的必然发展趋势。脉动热管技术是一种高效的传热装置，在小毛细管径中，真空密封的工作介质于管内形成相间分布的气塞、液塞。在加热段液塞受热气化、气塞受热膨胀，在冷凝段气塞受冷液化，这造成了管内压力的不均匀，管内气、液柱塞可以产生自励往复激荡，达到强化传热的效果。脉动热管较强的导热效果，除了表明它能在小温差下传递很大的热流量这一特性外，且能够起到相当大的拉平温度的作用，这一优点使其在工程中的应用更加广泛。

申请号CN206862181U申请了一种基于脉动热管的可移动式蓄放热装置，其目的为将废热储存起来，但未能考虑强化传热，即未能考虑在蓄热区加强传热以提高装置的性能，损失了部分热量。

申请号200510001979.5申请了一种变截面强化自激振荡热管传热的方法，其目的为了加强换热，但未能考虑热能的储存，导致能源存在一定的浪费。

发明内容

本发明为一种变直径脉动热管相变蓄热装置及其热传导强化方法，目的在于提供一种可蓄、放热的装置，为解决他人装置换热能力不强、交换热量无法储存的不足，本发明装置采用变直径脉动热管，由傅里叶定律

可知，增大面积A即增强了热流量，增强了换热效率；且本发明装置设置了蓄热室，能够将热能储存，最大程度的避免了热能的浪费，解决了他人装置存在的不足。所述装置可使用合适的相变材料如八水氢氧化钡、氯化钠、月桂醇等，利用相变材料的潜热进行蓄热，完成热能的储存及释放。

本发明采用的技术方案如下：

一种变直径脉动热管相变蓄热装置，该装置包括壳体、加热室、蓄热室、冷凝室。加热室与冷凝室为了布置流体路径且增强换热能力，均设置了导流板。所述导流板在冷却室中均匀布置，使冷却工质按照“S”形路径顺序流过每个弯头绕行，延长了冷却工质和脉动热管管壁的接触时间达到了充分换热的目的，所述冷却室在壳体上设置有冷却工质的进出口。所述导流板在加热室中均匀布置，使加热工质按照“S”形路径顺序流过每个弯头绕行，延长了加热工质和脉动热管管壁的接触时间达到了充分换热的目的，所述加热室在壳体上设置有加热工质的进出口。

所述加热工质可为气体或者液体，加热工质温度高于所述蓄热室相变材料的融化温度。

所述冷却工质可为气体或者液体。冷却工质温度低于所述蓄热室相变材料的冷凝温度。

所述变直径脉动热管均处于壳体中，所述变直径脉动热管于加热室内径为2—4mm，于蓄热室内径为4—6mm，于冷凝室为2—4mm。所述加热室、蓄热室、冷凝室均由不锈钢板隔开。所述变直径脉动热管直管处于蓄热室，直管加弯管处于加热室、冷凝室。

所述变直径脉动热管相变蓄热装置的蓄热室可加入相变蓄热材料如八水氢氧化钡、月桂醇等，因相变材料具有较大的潜热值，故可用于所述变直径脉动热管中进行蓄热。

所述变直径脉动热管相变蓄热装置的每组所述变直径脉动热管其变直径处、弯管于直管交界处均焊接相连或一体铸造成型，组成闭合回路，气密性良好可维持真空。

所述变直径脉动热管内的工作工质充液率不得高于百分之七十，过高则起不到脉动的效果，所述变直径脉动热管内的工作工质充液率不得低于百分之三十，过低则容易造成管内干烧，损坏管路。

所述变直径脉动热管相变蓄热装置所用材料从相容性角度出发，一般选用304不锈钢或者T2紫铜作为所述变直径脉动热管的基材，以达到防腐蚀的要求。

所述变直径脉动热管相变蓄热装置所用材料从相容性和经济性出发，一般选用304不锈钢作为所述变直径脉动热管外壳的基材，以达到防腐蚀的要求。

本发明进一步提出一种变直径脉动热管相变蓄热装置及其热传导强化方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、相变材料进行热量的吸收：打开所述加热室进出口，关闭所述冷凝室进出口。加热工质经所述加热室进口进入，进入的热量通过两种途径进行换热，途径一为进入热量于所述加热室与蓄热室的不锈钢隔板进行导热换热，途径二为进入热量于脉动热管中的工质换热后，脉动热管内工质气化，于管内进行对流换热。两种途径均将热量带入蓄热室内，利用相变材料进行蓄热。

步骤二、脉动热管进行热量的传导和相变材料热量的储存：所述变直径脉动热管内工质在加热段到蓄热端管径增大，在蓄热端到冷凝断管径减小。变直径脉动热管因管径不同，曲率半径不同，故管内液膜的张力不同其毛细力也不同，因此造成了附加的驱动力进行热量传导，增强了换热增大了热流密度，进行了较强的热传导。

所述变直径脉动热管内工质气化以后行成气塞或者液塞，在真空条件下且有压力差驱动下进行脉动，再通过增大直径强化换热，将变直径脉动热管内的热量传递于蓄热室的相变材料中，相变材料进行显热蓄热—潜热蓄热—显热蓄热三个阶段进行蓄热，相变材料在融化的过程中吸收大量的热并加以储存，完成了热量的储存。

步骤三、相变材料进行热量的释放：关闭所述加热室进出口，打开所述冷凝室进出口。冷却工质经所述冷凝室的进口进入，热量通过两种途径进行换热，途径一为热量通过蓄热室与冷凝室的不锈钢隔板进行换热；途径二为热量于脉动热管中的工质换热后，因冷却工质与变直径脉动热管内的工质温度差异较大，变直径脉动热管内工质迅速冷凝液化，在重力和变张力的双重作用下回流至变直径脉动热管的加热室。在冷凝过程中，相变材料释放热量，相变材料历经显热放热—潜热放热—显热放热三个阶段进行热量的释放。如此反复三个步骤，利用相变材料潜热蓄热所储存的能量释放到冷却工质中，发挥工业废热的价值，达到了节能环保寻找新能源的需求。

本发明产生的有益效果为：本发明的变直径脉动热管利用变直径产生管内分布不均的毛细力、张力为附加力，进一步强化了换热，且利用脉动热管真空的特性，取消了传统热管的管芯、储气室等附加零部件，降低了热管的故障率，提升了效率。本发明装置利用变直径脉动热管管内工质的蒸发、凝结进行热量交换于蓄热室内的相变材料；利用相变材料的潜热进行蓄热，实现了能量在空间上的转移；利用变直径增强换热，增加了装置的效率；利用相变材料的潜热进行蓄热，蓄热量大。本发明变直径脉动热管无需外来功的输入，且具有结构简单，易于维护保修、储热密度高、换热能力强、性价比高、节约成本以及体积较小便于用户使用等优点。

附图说明：

图1为本发明一种变直径脉动热管相变蓄热装置的主视图；

图2为本发明一种变直径脉动热管相变蓄热装置的侧视图；

图3为本发明一种变直径脉动热管相变蓄热装置的透视图；

图4为本发明一种变直径脉动热管相变蓄热装置能量循环步骤的流程图。

具体实施方式：

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，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。

图1为本发明一种变直径脉动热管装置主视图；图1各部件名称：图中1、加热室，2、加热室与蓄热室隔板，3、蓄热室，4、变直径脉动热管，5、蓄热室与冷凝室隔板，6、冷凝室，7、冷凝室导流板，8、蓄热室与冷凝室脉动热管直径缩小处，9、填相变材料进出口，10、加热室与蓄热室脉动热管直径增大处，11、加热室导流板，12、壳体。

图2为本发明一种变直径脉动热管装置侧视图；图2各部件名称：图中13、加热工质进口，14、冷却工质进口，15、真空表接口，16、抽真空泵接口，17、冷却工质出口，18、加热工质出口。

图3为本发明一种变直径脉动热管装置透视图；图中8、蓄热室与冷凝室脉动热管直径缩小处，10、加热室与蓄热室脉动热管直径增大处。

图1为本发明变直径脉动热管装置的正视图：加热室1、蓄热室3、冷凝室6和变直径脉动热管4均在壳体12内。每组变直径脉动热管穿过加热室与蓄热室隔板2和蓄热室与冷凝室隔板5。蓄热室与冷凝室脉动热管直径缩小处8和加热室与蓄热室脉动热管直径增大处10在变化的直径下为脉动热管提供了附加力，增强了装置的导热能力。填料口9方便用户将相变材料投入装置，方便蓄热。冷凝室导流板7布置了冷凝室冷却工质的流动路程，起到了导流的作用，使冷工质从所述冷凝室冷却工质进口14进入后按照导流板走“S”形路线，从所述冷却工质出口17流出，延长冷却工质在冷凝室内的流动时间，强化传热。加热室导流板11布置了加热室加热工质的流动路程，起到了导流的作用，使热工质从所述加热室开孔加热工质13进入后按照导流板走“S”形路线，从所述加热工质出口18流出，延长加热工质在加热室内的流动时间，强化传热

图2为本发明变直径脉动热管装置的侧视图：加热工质进口13和加热工质出口18方便用户将加热工质排布进加热室。冷却工质进口14和冷却工质出口17方便用户将冷却工质排布进冷凝室。真空表接口15方便用户观测装置内压力大小以便及时排除故障。真空泵接口16以便用户将变直径脉动热管抽真空，达到装置效果。

图1和图2表明了装置的构造：所述装置包括壳体、加热室、蓄热室、冷凝室；所述加热室、蓄热室、冷凝室、变直径脉动热管均处于所述壳体中；所述加热室在所述壳体下部，所述蓄热室在所述壳体中部，所述冷凝室在所述壳体上部；所述加热室侧部开两个孔连接管道供热工质流体进入、排出；所述冷凝室侧部开两个孔连接管道供冷工质流体进入、排出；所述蓄热室正方开一个方孔供相变材料的放入、取出。

图3为本发明一种变直径脉动热管装置透视图，为更方便用户直观了解变直径脉动热管的构造。图3所示变直径脉动热管于加热室的管内径为2—4mm，于蓄热室管内径为4—6mm，于冷凝室管内径为2—4mm；所述变直径脉动热管变直径处一体铸造成型；所述变直径脉动热管直管处于蓄热室，直管加弯管处于加热室、冷凝室。

本发明中，变直径脉动热管内的工质种类应该按需根据加热室3热流体的温度进行选择。蓄热室的相变材料应该根据加热室3热流体的温度和冷凝室6的温度进行选择，蓄热室相变材料的融点应该低于加热室3，蓄热室相变材料的凝固点应该高于加热室6。据此，用户可按需进行变直径脉动热管内工质和蓄热室内相变材料的选择。

本发明进一步提出一种变直径脉动热管相变蓄热装置及其热传导强化方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、相变材料进行热量的吸收：打开所述加热室进口13和加热室出口18，关闭所述冷凝室进口14和冷凝室出口17。加热工质经所述加热室进口13进入，进入的热量通过两种途径进行换热，途径一为进入热量于所述加热室与蓄热室的不锈钢隔板2进行导热换热，途径二为进入热量于脉动热管中的工质换热后，脉动热管内工质气化，于便直径脉动热管4内进行对流换热。两种途径均将热量带入蓄热室3内，利用相变材料进行蓄热。

步骤二、变直径脉动热管进行强化的热量传导和相变材料热量的储存：所述变直径脉动热管4内工质在加热室1到蓄热室3管径增大，在蓄热室3到冷凝室6管径减小。变直径脉动热管因管径不同，曲率半径不同，故管内液膜的张力不同其毛细力也不同，因此造成了附加的驱动力进行热量传导，增强了换热增大了热流密度，进行了较强的热传导。

所述变直径脉动热管内工质气化以后行成气塞或者液塞，在真空条件下且有压力差驱动下进行脉动，再通过增大直径强化换热，将变直径脉动热管内的热量传递于蓄热室的相变材料中，相变材料进行显热蓄热—潜热蓄热—显热蓄热三个阶段进行蓄热，相变材料在融化的过程中吸收大量的热并加以储存，完成了热量的储存。

步骤三、相变材料进行热量的释放：关闭所述加热室进口13和加热室出口18，打开所述冷凝室进口14和冷凝室出口17。冷却工质经所述冷凝室的进口14进入，热量通过两种途径进行换热，途径一为热量通过蓄热室与冷凝室的不锈钢隔板5进行换热；途径二为热量于脉动热管中的工质换热后，因冷却工质与变直径脉动热管内的工质温度差异较大，变直径脉动热管内工质迅速冷凝液化，在重力和变张力的双重作用下回流至变直径脉动热管的加热室。在冷凝过程中，相变材料释放热量，相变材料历经显热放热—潜热放热—显热放热三个阶段进行热量的释放。如此反复三个步骤，利用相变材料潜热蓄热所储存的能量释放到冷却工质中，发挥工业废热的价值，达到了节能环保寻找新能源的需求。

如上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种变直径脉动热管相变蓄热装置，其特征在于，包括壳体、加热室、蓄热室、冷凝室；所述加热室、蓄热室、冷凝室、变直径脉动热管均处于所述壳体中；所述加热室在所述壳体下部，所述蓄热室在所述壳体中部，所述冷凝室在所述壳体上部；所述加热室侧部开两个孔连接管道供热工质流体进入、排出；所述冷凝室侧部开两个孔连接管道供冷工质流体进入、排出；所述蓄热室正方开一个方孔供相变材料的放入、取出；所述加热室包含热工质导流板，热工质从所述加热室开孔进口进入后按照导流板走“S”形路线，从所述开孔出口流出；所述冷凝室包含冷工质导流板，冷工质从所述冷凝室开孔进口进入后按照导流板走“S”形路线，从所述开孔出口流出；所述加热室和蓄热室由不锈钢钢板隔开；所述蓄热室和冷凝室由不锈钢钢板隔开；所述蓄热室的相变材料根据具体工况选择，在低温环境50℃到100℃之间使用月桂醇做相变材料进行蓄热，在高温环境100℃到200℃之间使用八水氢氧化钡做相变材料进行蓄热。

2.按照权利要求1所述变直径脉动热管的相变蓄热装置，其特征在于：变直径脉动热管于加热室的管内径为2—4mm，于蓄热室管内径为4—6mm，于冷凝室管内径为2—4mm；所述变直径脉动热管变直径处一体铸造成型；所述变直径脉动热管直管处于蓄热室，直管加弯管处于加热室、冷凝室。

3.按照权利要求1所述变直径脉动热管的相变蓄热装置，其特征在于：所述加热室加热工质为液体或者气体；所述冷凝室冷凝工质为液体或者气体。

4.按照权利要求4所述变直径脉动热管相变蓄热装置，其特征在于：所述变直径脉动热管直管部分打孔穿过所述加热室与蓄热室之间的不锈钢钢板和所述蓄热室和冷凝室之间的不锈钢钢板。

5.按照权利要求4所述变直径脉动热管相变蓄热装置，其特征在于：所述变直径脉动热管选择T2紫铜或者304不锈钢为基材。

6.按照权利要求4所述变直径脉动热管相变蓄热装置，其特征在于：所述变直径脉动热管相变蓄热器的外壳选择304不锈钢为基材。

7.一种变直径脉动热管相变蓄热装置的热传导强化方法，使用权利要求1所述的变直径脉动热管相变蓄热装置，该方法改善了以往装置热传导效率低的问题且将相变材料和脉动热管耦合进一步扩大装置的实用性，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、相变材料进行热量的吸收：打开所述加热室进出口，关闭所述冷凝室进出口；加热工质经所述加热室进口进入，进入的热量通过两种途径进行换热，途径一为：进入热量于所述加热室与蓄热室的不锈钢隔板进行导热换热，相变材料吸收热量；途径二为：进入热量于脉动热管中的工质换热后，脉动热管内工质气化，于管内进行对流换热，换热过程中在蓄热室的相变材料吸收热量；两种途径均将热量带入蓄热室内，利用相变材料进行蓄热；

步骤二、脉动热管进行热量的传导和相变材料热量的储存：所述变直径脉动热管内工质在加热段到蓄热端管径增大，在蓄热端到冷凝段管径减小；变直径脉动热管因管径不同，曲率半径不同，故管内液膜的张力不同其毛细力也不同，因此造成了附加的驱动力进行热量传导，增强了换热增大了热流密度，进行了较强的热传导；

所述变直径脉动热管内工质气化以后形成气塞或者液塞，真空条件下且有压力差驱动下进行脉动，再通过增大直径强化换热，将变直径脉动热管内的热量传递于蓄热室的相变材料中，相变材料进行显热蓄热—潜热蓄热—显热蓄热三个阶段进行蓄热，相变材料在融化的过程中吸收大量的热并加以储存，完成了热量的储存；

步骤三、相变材料进行热量的释放：关闭所述加热室进出口，打开所述冷凝室进出口；冷却工质经所述冷凝室的进口进入，热量通过两种途径进行换热，途径一为热量通过蓄热室与冷凝室的不锈钢隔板进行换热；途径二为热量于脉动热管中的工质换热后，因冷却工质与变直径脉动热管内的工质温度差异较大，变直径脉动热管内工质迅速冷凝液化，在重力和变张力的双重作用下回流至变直径脉动热管的加热室；在冷凝过程中，相变材料释放热量，相变材料历经显热放热—潜热放热—显热放热三个阶段进行热量的释放。

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