CN114199063A - 一种基于记忆金属的管壳式换热器及实现接触熔化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于记忆金属的管壳式换热器及实现接触熔化的方法，应用于高导热相变材料储热领域。基于记忆金属的管壳式换热器包括换热管道、记忆金属翅片装置、换热外壳和保温层，其中记忆金属翅片装置包括环形翅片和记忆金属延伸片。本发明利用记忆金属具有形状随温度变化特性、高导热性、易与环形翅片焊接连接等特性实现储热容器熔化过程中接触熔化的全程持续发生，强化传热；本发明利用保温层的保温材料实现储热容器外壳在通过记忆金属被加热的同时，整体对于外界的漏热最小化；本方法在实现整体保温的同时，实现储热容器运行期间接触熔化机制的全程持续发生，极大助力于强化储热容器的传热过程。

Description

一种基于记忆金属的管壳式换热器及实现接触熔化的方法

技术领域

本发明属于基于相变材料的换热器强化传热储热领域，具体涉及一种基于记忆金属的管壳式换热器及实现接触熔化的方法。

背景技术

能源作为人类活动与经济发展的基石与支撑，随着人类文明以及先进技术的发展，全球能源消耗量逐渐增加，这其中热能消耗占全球终端能耗大部分比例。可再生能源供热存在不连续性和波动性特点，因此需要储热技术将热能有效存储并适时加以利用，以解决热能供给和需求时间、空间不匹配的问题，这也是实现“碳达峰，碳中和”目标的必要途径。

固-液相变材料具有成本低、储热放热过程温度恒定、热膨胀率小、理化性质稳定等优点，被广泛应用在储热领域。虽然常见相变材料的储能密度高，但其较低的功率密度严重影响了储热系统的动态性能。接触熔化作为一种独特的传热模式，特指在熔化过程中，存在外力使得待熔固体(或热源)的质心相对于热源(或待熔固体)边界保持有与热流方向相反的速度，导致待熔固体表面紧贴热源表面，有一层难以直接观察到的微液薄膜存在于两表面之间的熔化现象。由于外力可以长时间保持加热面和相变材料固液界面的间距处于十分小的量级，也意味着相变传热过程中的热阻被显著减小，因此在相变储热循环过程中可持续地全过程实现接触熔化形式，是提高相变传热效率的有力手段。

然而在对管翅换热器内相变材料传热储热性能的研究中发现，在熔化初期由于热量从换热管道传递到翅片，到相变材料，再传递到换热器外壳，由于翅片与换热器外壳不能直接接触，熔化开始阶段换热器外壳温度较低，相变材料凝固在换热器外壳内壁，在粘附力的作用下较长时间内，甚至到熔化中后期依旧无法下落，这就导致了待熔固态相变材料无法在重力的作用下，自由下沉，与翅片加热表面持续接触，阻碍了接触熔化的发生；如果为了熔化初期换热器外壳具有较高的温度(即促使凝固在内壁的相变材料可以熔化脱落，进而允许接触熔化的发生)，需要将翅片与换热器外壳直接接触，但如此操作会通过翅片将换热器划分为若干独立单元，每层间不互通，虽然可以在熔化初期促使相变材料脱落，允许接触熔化的发生，然而随着熔化的进行，由于层间封闭，液态相变材料无法向下层排出，微液膜逐渐增厚，同样无法保持接触熔化的持续发生，同时由于层间封闭，无法实现相变材料的连续填充。

综上所述，需要一种主动的翅片调控手段以实现储热容器熔化储热过程中接触熔化的持续稳定发生。

发明内容

本发明针对以上技术难点，提出了一种基于记忆金属的管壳式换热器及实现接触熔化的方法。所述方法应用于高导热相变材料储热领域，利用记忆金属具有形状随温度变化特性、高导热性、易与翅片焊接连接等特性实现储热容器熔化过程中接触熔化的全程持续发生，强化传热。

本发明首先提供了一种基于记忆金属的管壳式换热器，其包括换热管道、记忆金属翅片装置、换热外壳和保温层；

所述记忆金属翅片装置包括翅片和记忆金属延伸片；所述换热管道穿过换热器，换热外壳内壁面和换热管道外壁面之间填充有相变材料；所述翅片沿换热管道的管程方向设置在换热管道的外壁上，所述记忆金属延伸片连接在翅片远离换热管道端的外沿上；且记忆金属延伸片处于伸展状态时与换热外壳内壁面接触，记忆金属延伸片处于收缩状态时与换热外壳内壁面间具有间隙；所述保温层包裹在换热外壳外表面。

作为本发明的优选方案，所述的换热管道中流经传热流体，换热管道由金属材料制成，以保证足够的换热系数，将传热流体侧的热量传递到相变材料侧。

作为本发明的优选方案，换热管道和翅片的材质可以是不锈钢、铜、铝等材质。

作为本发明的优选方案，所述换热外壳包括中心管套、端盖、垫片和法兰装置，中心管套的两端分别设置一个法兰装置，法兰装置与端盖密封可拆卸连接，两者间设置垫片。

作为本发明的优选方案，所述中心管套呈圆柱形，所述换热管道沿中心管套轴线方向贯穿换热器，所述端盖密封中心管套的两端；所述翅片焊接在换热管道的外侧面。

作为本发明的优选方案，所述翅片优选为环形翅片，环形翅片沿换热管道等间距设置。

由于过冷度的存在，相变材料的熔化温度要高于凝固温度，作为本发明的优选方案，所述记忆金属延伸片的形变温度低于相变材料熔化温度，且高于相变材料凝固温度；记忆金属延伸片在温度低于形变温度时，呈伸展状态，在温度高于形变温度时，呈收缩状态。记忆金属延伸片可以是任意满足上述温度要求的记忆金属材料，例如金-镉合金、镍-钛合金、铜-锌合金等。本发明适用于目前主流的相变材料，例如相变材料可以是石蜡、十四醇、赤藓糖醇、十二烷等等。

本发明还公开了一种上述管壳式换热器实现接触熔化的方法：

熔化开始前，换热器处于低温状态，记忆金属延伸片在低温下保持完全伸展状态，与换热外壳的中心管套内壁直接接触，用于在熔化过程开始前期将高温传递到换热外壳的中心管套内壁，使熔化初期换热器外壳也具有一定的初始加热温度，使附着在内壁的相变材料快速熔化，以促使熔化刚开始阶段换热器中就发生对于熔化过程具有较强促进作用的接触熔化的效果；

随着熔化过程的不断进行，换热器中整体温度上升，此时记忆金属延伸片变化到高温收缩状态，与换热外壳的中心管套内壁分离，记忆金属翅片装置与内壁间形成一段间隙，用于允许接触熔化后液态相变材料向下一层环形空间排出，以保证微液膜的维持，保证接触熔化的持续发生。

进一步的，填充相变材料时，可以将换热器上端盖与换热器中心管套连接的法兰装置拆解开，进行液态相变材料填充，此时记忆金属延伸片处于高温收缩状态，当采用环形翅片时，每一层环形空间间留有空隙，保证每一层环形空间的相变材料连续填充。填充后由于换热器内温度下降，记忆金属延伸片变化到伸展状态，同时填充后通过法兰装置将上端盖与换热器中心管套以及垫片密封，储热期间保证换热器容器的整体密闭性，防止液态相变材料的泄漏。

本发明通过记忆金属翅片装置达到保证熔化初期附着在内壁的相变材料脱离，针对被翅片分隔开的每一个环形空间，完全脱离后熔化产生的液态相变材料可以向下一层环形空间排出，最终实现通过记忆金属翅片的调控实现针对接触熔化的熔化全过程发生的促进效果。

所述的换热管道中流经的传热流体可以是水、导热油等。

所述的保温层由导热系数较低材料(如石棉、聚乙烯等)构成，针对换热外壳进行全方位包裹，用于防止换热器与外部环境的热交换(漏热)。

本发明与现有技术相比，具有如下益效果：

(1)本发明利用记忆金属具有形状随温度变化特性、高导热性、易与翅片焊接连接等特性实现储热容器熔化过程中接触熔化的全程持续发生，强化传热。

(2)采用记忆金属随温度形变特性，保证相变材料填充阶段使储热容器每一个被翅片分隔开的单元间互相连通，实现相变材料连续填充。

(3)采用基础翅片与记忆金属延伸片组合的性质，发生接触熔化的翅片包括但不限于环形翅片，针对其他可发生接触熔化的翅片也可以根据现有翅片形状，通过焊接等方式进行定制化改进。

(4)利用垫片和法兰装置实现储热容器的相变材料填充、循环使用以及运行过程中的保证容器密闭性。通过垫片和法兰装置实现中心管套和端盖的紧密连接，以实现换热器内部的相变材料的实时填充更换，同时在储热期间保证换热器容器的整体密闭性，防止液态相变材料的泄漏。

(5)利用保温层的保温材料实现储热容器外壳在通过记忆金属被加热的同时，整体对于外界的漏热最小化；

附图说明

图1为熔化开始前储热容器示意图(主视图及剖视图)；

图2为熔化开始后储热容器示意图(主视图及剖视图)；

附图中，各注释列表如下：

1：换热管道、2：环形翅片、3：记忆金属延伸片、3-1：记忆金属延伸片(低温状态)、3-2：记忆金属延伸片(高温状态)、4：中心管套、5：端盖、6：相变材料、7：垫片、8：法兰装置、9：保温层、10：熔化状态的相变材料。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步详细说明。

如图1、2所示，一种基于记忆金属的管壳式换热器，包含换热管道1、记忆金属翅片装置、换热外壳和保温层9。所述的换热管道(1)中流经传热流体(水、导热油等)，换热管道可以由金属材料制成，以保证足够的换热系数，将传热流体侧的热量传递到相变材料侧；所述记忆金属翅片装置包括环形翅片(2)和记忆金属延伸片(3)，通过记忆金属翅片装置实现储热容器熔化过程中接触熔化的全程持续发生以及相变材料填充阶段的连续填充；所述换热管道穿过换热器，换热外壳内壁面和换热管道外壁面之间填充有相变材料；所述环形翅片沿换热管道的管程方向设置在换热管道的外壁上，所述记忆金属延伸片(3)连接在环形翅片远离换热管道端的外沿上；且记忆金属延伸片(3)处于伸展状态时与换热外壳内壁面接触，记忆金属延伸片(3)处于收缩状态时与换热外壳内壁面间具有间隙；所述保温层包裹在换热外壳外表面。

所述换热外壳包括中心管套(4)、端盖(5)、垫片(7)和法兰装置(8)，其中，中心管套(4)的上下两端均设置有法兰装置(8)，端盖(5)与法兰装置(8)之间设置垫片(7)，且端盖(5)与法兰装置(8)配合连接，本实施例通过垫片(7)和法兰装置(8)实现中心管套(4)和端盖的紧密连接，以实现换热器内部的相变材料的实时填充和更换；所述的保温层(9)由导热系数较低材料(如石棉、聚乙烯等)构成，针对换热外壳进行全方位包裹，用于防止换热器与外部环境的热交换(漏热)。

如图1、2所示，储热过程开始前，将换热器上端盖(5)与换热器中心管套(4)连接的法兰装置(8)拆解开，进行液态相变材料填充，此时记忆金属延伸片处于高温收缩状态(3-2)，填充后由于换热器内温度下降，记忆金属延伸片变化到伸展状态(3-1)，同时通过法兰装置将上端盖(5)与换热器中心管套(4)以及垫片(7)密封，储热期间保证换热器容器的整体密闭性，防止液态相变材料的泄漏。

熔化开始前，换热器处于低温状态，记忆金属延伸片(3)在低温下保持完全伸展状态(3-1)，与换热外壳的中心管套(4)内壁直接接触，用于在熔化过程开始前期将高温热流通过换热管道(1)传递到环形翅片(2)，再通过记忆金属延伸片(3-1)传递到换热外壳的中心管套(4)内壁，使熔化初期换热器外壳也具有一定的初始加热温度，达到附着在内壁的相变材料快速熔化，以促使熔化刚开始阶段换热器中就发生对于熔化过程具有较强促进作用的接触熔化的效果。

随着熔化过程的不断进行，换热器中整体温度上升，此时记忆金属延伸片变化到高温收缩状态(3-2)，与换热外壳的中心管套(4)内壁分离，每一层环形记忆金属翅片装置与内壁间形成一段间隙，用于允许接触熔化后液态相变材料的逐渐向下排出，以保证微液膜的维持，保证接触熔化的持续发生。通过记忆金属翅片装置达到保证熔化初期附着在内壁的相变材料脱离，针对被翅片分隔开的每一个环形空间，完全脱离后熔化产生的液态相变材料可以向下一层环形空间排出，最终实现通过记忆金属翅片的调控实现针对接触熔化的熔化全过程发生的促进效果。

本发明的换热器在放热状态使，由于记忆金属的形变温度高于相变材料凝固温度，因此随着温度降低，记忆金属先进行伸展，而后相变材料凝固放热，热量释放给换热管道内的换热流体。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于记忆金属的管壳式换热器，其特征在于包括换热管道、记忆金属翅片装置、换热外壳和保温层；

所述记忆金属翅片装置包括翅片和记忆金属延伸片(3)；所述换热管道穿过换热器，换热外壳内壁面和换热管道外壁面之间填充有相变材料；所述翅片沿换热管道的管程方向设置在换热管道的外壁上，所述记忆金属延伸片(3)连接在翅片远离换热管道端的外沿上；且记忆金属延伸片(3)处于伸展状态时与换热外壳内壁面接触，记忆金属延伸片(3)处于收缩状态时与换热外壳内壁面间具有间隙；所述保温层包裹在换热外壳外表面。

2.根据权利要求1所述的一种基于记忆金属的管壳式换热器，其特征在于所述的换热管道(1)中流经传热流体，换热管道由金属材料制成，以保证足够的换热系数，将传热流体侧的热量传递到相变材料侧。

3.根据权利要求1所述的一种基于记忆金属的管壳式换热器，其特征在于，所述换热外壳包括中心管套(4)、端盖(5)、垫片(7)和法兰装置(8)，中心管套(4)的两端分别设置一个法兰装置(8)，法兰装置(8)与端盖(5)密封可拆卸连接，两者间设置垫片(7)。

4.根据权利要求3所述的一种基于记忆金属的管壳式换热器，其特征在于，所述中心管套(4)呈圆柱形，所述换热管道沿中心管套(4)轴线方向贯穿换热器，所述端盖(5)密封中心管套(4)的两端；所述翅片(2)焊接在换热管道的外侧面。

5.根据权利要求1所述的一种基于记忆金属的管壳式换热器，其特征在于，所述翅片为环形翅片(2)，环形翅片沿换热管道等间距设置。

6.根据权利要求1所述的一种基于记忆金属的管壳式换热器，其特征在于，所述记忆金属延伸片(3)的形变温度低于相变材料熔化温度、高于相变材料凝固温度，记忆金属延伸片(3)在温度低于形变温度时，呈伸展状态，在温度高于形变温度时，呈收缩状态。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述管壳式换热器实现接触熔化的方法，其特征在于：

熔化开始前，换热器处于低温状态，记忆金属延伸片(3)在低温下保持完全伸展状态(3-1)，与换热外壳的中心管套(4)内壁直接接触，用于在熔化过程开始前期将高温传递到换热外壳的中心管套(4)内壁，使熔化初期换热器外壳也具有一定的初始加热温度，使附着在内壁的相变材料快速熔化，以促使熔化刚开始阶段换热器中就发生对于熔化过程具有较强促进作用的接触熔化的效果；

随着熔化过程的不断进行，换热器中整体温度上升，此时记忆金属延伸片变化到高温收缩状态(3-2)，与换热外壳的中心管套(4)内壁分离，记忆金属翅片装置与内壁间形成一段间隙，用于允许接触熔化后液态相变材料向下一层环形空间排出，以保证微液膜的维持，保证接触熔化的持续发生。

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