CN113916037A - 雪花状翅片相变蓄热装置 - Google Patents

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杜军
任繁
刘勇
张东兴
徐真杨
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Abstract

本发明公开了一种雪花状翅片相变蓄热装置，包括壳体、内管、在内管周围排布呈雪花状的多个翅片单元和填充于壳体和内管之间包裹翅片单元的PCM蓄热材料。该装置通过设置雪花状翅片模型，使得PCM蓄热材料的熔化速率远远大于传统模型，熔化时间相比传统模型减少45％以上，PCM蓄热材料的平均温度升高3℃，平均热流密度升高3.98W/m2，传热性能得到大幅提升。可充分利用太阳能、工业余热，进行高效率的废热回收利用。

Description

雪花状翅片相变蓄热装置
技术领域
本发明涉及一种能源存储与释放装置，具体涉及一种雪花状翅片相变蓄热装置。
背景技术
相变蓄能是通过利用PCM(相变储能材料Phase Change Material)的潜热将生活中的余热(包括太阳能、谷电和工业余热等)储存起来，在不同空间或不同时间中将其释放以实现移峰填谷的作用。相变储能技术由于其较高的储能能力和价格低廉的材料而被作为储能技术发展的重要方向。通常PCM材料按照其化学成分组成可以分为有机相变材料、无机相变材料和混合相变材料，在选择合适的相变材料时应该考虑其潜热值、相变温度、腐蚀性以及有毒性等问题。
套管式PCM蓄热容器是目前是最广泛应用的相变蓄热装置。高温流体流入壳管内部时，热量将从内管传递至镶嵌在里边的翅片和内管接触的PCM，PCM 吸收热量开始熔化，利用PCM的潜热将热能进行储存，最后再在需要的地方将其释放热量出来，使得PCM从液态凝固为固态来提供所需的热量。在过去的研究中，由于相变材料低导热率的特点，强化传热的研究成为了发展相变蓄热技术的重中之重。添加翅片作为在工业中最常见的强化传热方法，绝大多数研究工作者都通过针对不同材料组合添加过不同类型的翅片而加速PCM的换热效果。但是传统模型的翅片结构均是矩形翅片，PCM熔化速率较低，传热性能不佳。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种雪花状翅片相变蓄热装置，以提升传热性能。
技术方案：本发明所述的一种雪花状翅片相变蓄热装置，包括：
壳体；
内管，其同轴设置在所述壳体内部，与所述壳体之间形成有蓄热腔室；
翅片单元，其包括连接于所述内管外表面沿着内管长度方向延伸的主翅片以及连接所述主翅片的分支翅片；多个所述翅片单元在所述内管外周等角度间隔排布于所述蓄热腔室内；
PCM蓄热材料，其填充于所述蓄热腔室中包裹所述翅片单元。
其中，所述PCM蓄热材料的储热总量QPCM＝mpcm[CP，S(Tm-Tini)+ΔH+ CP，l(Th-Tm)]；式中，mpcm为PCM蓄热材料量，Tini、Tm和Th分别为初始温度、相变温度和加热温度，CP，S和CP，l分别为固相和液相的比热，ΔH为潜热焓。
其中，平均热流密度表示为：
Figure RE-GDA0003406417120000021
式中：tz为充热时间；Atube和Afin分别为内管与PCM接触面积和所有翅片单元的总面积。
其中，所述PCM蓄热材料的熔化率表示为：
Figure RE-GDA0003406417120000022
式中vPCM为PCM蓄热材料的总体积，λ为PCM蓄热材料在不同阶段的液相率，A为PCM蓄热材料的底面面积。
具体的，所述主翅片沿着所述内管的法线向外延伸，主翅片的两个侧面均设置有分支翅片，且两个侧面的分支翅片关于所述主翅片对称。
具体的，所述翅片单元有八个，相邻两个翅片单元的主翅片夹角为45°。
具体的，所述主翅片的两个侧面分别设置有一个所述分支翅片，主翅片与其连接的分支翅片的夹角为45°。
其中，所述主翅片和所述分支翅片的横截面均呈矩形或三角形。
具体的，所述PCM蓄热材料为结晶水合盐类或石蜡或脂肪酸类相变材料。
具体的，所述蓄热腔室两端面设置有密封盖板。设置密封盖板用于密封蓄热腔室避免PCM蓄热材料流失。
有益效果：与现有技术相比，该装置通过设置雪花状翅片模型，使得PCM 蓄热材料的熔化速率远远大于传统模型，熔化时间相比传统模型减少45％以上， PCM蓄热材料的平均温度升高3℃，平均热流密度升高3.98W/m2，传热性能得到大幅提升。
附图说明
图1是本发明的相变蓄热装置的立体结构示意图；
图2是该相变蓄热装置的剖面结构示意图；
图3是本发明的翅片单元的两种不同的剖面结构，其中3a为矩形结构，3b 为三角形结构；
图4是本发明的相变蓄热装置与传统翅片技术蓄热熔化液相率对比图；
图5是本发明的相变蓄热装置与传统翅片技术蓄热综合热性能评价指标对比图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，该雪花状翅片相变蓄热装置，包括壳体1、内管2、多个翅片单元、PCM蓄热材料。
其中，内管2同轴设置在壳体1的中心，用于通入传热流体，内管2与壳体 1之间形成一蓄热腔室。PCM蓄热材料5则填充于该蓄热腔室中，为了避免相变材料外流，在蓄热腔室的两端设置密封盖板，并在盖合部位设置密封圈防止流体泄露。
请一并结合图2所示，翅片单元包括主翅片3和分支翅片4，主翅片3连接在内管2的外表面，其长边沿着内管2的长度方向延伸，宽边则沿着内管2的法线方向延伸。多个翅片单元围绕内管2排布呈类似雪花的形状，通过主翅片3 和分支翅片4将内管2的热量传递给PCM蓄热材料5进行高效换热。
在本实施例中，内管2的直径为20mm，壳体1的直径为70mm，两者壁厚均为1mm。在内管2周围每隔45°布置一个翅片单元，共计8个翅片组成雪花模型。PCM蓄热材料初始温度为20℃，内管2温度为90°。如图3所示，翅片单元可以设置呈两种形式以对比观察，即主翅片3和分支翅片4的横截面均呈矩形或三角形，当为三角形时，其尺寸仍然以原型的长宽为尺寸，矩形的短边中点为三角形顶点。
如图4所示，通过与传统翅片对比，雪花翅片模型对PCM蓄热材料5的熔化效果要好于传统翅片模型，在不同时刻，在翅片周围的PCM蓄热材料5一开始先迅速熔化，而后热量再缓慢传递在较远处的PCM蓄热材料5。由于雪花模型结构更能触及到传统模型难以到达的“死区”，且PCM蓄热材料5与雪花模型的翅片的换热面更多，使得PCM蓄热材料5熔化速率更快，温度升高的更快。
具体的，本发明的评价指标为：
1、用熔化率f表示已熔化的PCM蓄热材料体积占总PCM蓄热材料体积的比例；
2、装置的理论储热总量包括PCM蓄热材料和壳体储热量，由于壳体所占的比例很小可以忽略不计，因此理论储热总量为PCM蓄热材料的储热总量QPCM；
3、平均热流密度q是充热过程中单位时间内管道单位面积的换热量。
则PCM蓄热材料的熔化率表示为：
Figure RE-GDA0003406417120000041
式中vPCM为PCM蓄热材料的总体积，λ为PCM蓄热材料在不同阶段的液相率，A为PCM蓄热材料的底面面积。
根据PCM蓄热材料的熔化特性，储热量分为固态显热、潜热和液态显热储热量三部分，PCM蓄热材料的储热总量QPCM＝mpcm[CP，S(Tm-Tini)+ΔH+ CP，l(Th-Tm)]；式中，mpcm为PCM蓄热材料量，Tini、Tm和Th分别为初始温度、相变温度和加热温度，CP，S和CP，l分别为固相和液相的比热，ΔH为潜热焓。
平均热流密度为：
Figure RE-GDA0003406417120000042
式中：tz为充热时间；Atube和Afin分别为内管与PCM接触面积和所有翅片单元的总面积。
如图5所示，综合热性能评价指标可得本发明的雪花模型的熔化速率远远大于传统模型，熔化时间相比减少45.59％，PCM蓄热材料的平均温度升高3℃，平均热流密度升高3.98W/m2。由于传统翅片的熔化时间更长，并且其有效体积增加，PCM蓄热材料的储量增加，所以储热量相对本发明的雪花模型略高，但是传热的效率明显与本发明有较大差距。由于雪花矩形模型和雪花三角形的结构是相同的，所以两者在综合热性能上相差不大，因此在设计雪花模型翅片的外形时，不用过多考虑。

Claims (10)

1.一种雪花状翅片相变蓄热装置，其特征在于，包括：
壳体(1)；
内管(2)，其同轴设置在所述壳体(1)内部，与所述壳体(1)之间形成有蓄热腔室；
翅片单元，其包括连接于所述内管(2)外表面沿着内管(2)长度方向延伸的主翅片(3)以及连接所述主翅片(3)的分支翅片(4)；多个所述翅片单元在所述内管(2)外周等角度间隔排布于所述蓄热腔室内；
PCM蓄热材料(5)，其填充于所述蓄热腔室中包裹所述翅片单元。
2.根据权利要求1所述的雪花状翅片相变蓄热装置，其特征在于，所述PCM蓄热材料的储热总量QPCM＝mpcm[CP,S(Tm-Tini)+ΔH+CP,l(Th-Tm)]；式中，mpcm为PCM蓄热材料量，Tini、Tm和Th分别为初始温度、相变温度和加热温度，CP,S和CP,l分别为固相和液相的比热，ΔH为潜热焓。
3.根据权利要求2所述的雪花状翅片相变蓄热装置，其特征在于，平均热流密度表示为：
Figure FDA0003301359710000011
式中：tz为充热时间；Atube和Afin分别为内管与PCM接触面积和所有翅片单元的总面积。
4.根据权利要求1所述的雪花状翅片相变蓄热装置，其特征在于，所述PCM蓄热材料的熔化率表示为：
Figure FDA0003301359710000012
式中vPCM为PCM蓄热材料的总体积，λ为PCM蓄热材料在不同阶段的液相率，A为PCM蓄热材料的底面面积。
5.根据权利要求1所述的雪花状翅片相变蓄热装置，其特征在于，所述主翅片(3)沿着所述内管(2)的法线向外延伸，主翅片(3)的两个侧面均设置有分支翅片(4)，且两个侧面的分支翅片(4)关于所述主翅片(3)对称。
6.根据权利要求5所述的雪花状翅片相变蓄热装置，其特征在于，所述翅片单元有八个，相邻两个翅片单元的主翅片(3)夹角为45°。
7.根据权利要求6所述的雪花状翅片相变蓄热装置，其特征在于，所述主翅片(3)的两个侧面分别设置有一个所述分支翅片(4)，主翅片(3)与连接的分支翅片(4)的夹角为45°。
8.根据权利要求1所述的雪花状翅片相变蓄热装置，其特征在于，所述主翅片(3)和所述分支翅片(4)的横截面均呈矩形或三角形。
9.根据权利要求1所述的雪花状翅片相变蓄热装置，其特征在于，所述PCM蓄热材料(5)为结晶水合盐类或石蜡或脂肪酸类相变材料。
10.根据权利要求1所述的雪花状翅片相变蓄热装置，其特征在于，所述蓄热腔室两端面设置有密封盖板。
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