CN114353571A - 基于磁性液态金属的余热式梯级储能供热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于磁性液态金属的余热式梯级储能供热系统。适用于储能和余热回收利用技术领域。本发明所采用的技术方案是：一种基于磁性液态金属的余热式梯级储能供热系统，其特征在于：具有换热管、外壳和电磁装置；所述换热管穿装于外壳内，换热管和外壳之间充填相变材料和具有高导热系数且凝点低于相变材料工作温度的磁性液态金属；所述电磁装置能产生指向换热管圆心或背向换热管圆心的径向磁场，该电磁装置产生的径向磁场能使位于换热管和外壳之间的磁性液态金属形成紧贴储能时相变材料固液相界面的液态金属套管。

Description

基于磁性液态金属的余热式梯级储能供热系统
技术领域
本发明涉及一种基于磁性液态金属的余热式梯级储能供热系统。适用于储能和余热回收利用技术领域。
背景技术
回收利用余热资源可提高能效率，同时减轻对环境的影响。我国工业能耗占总能耗的70％以上，其中至少50％转化为不同载体、不同温度的工业余热。对这些工业余热资源进行回收利用，为提高我国能源综合利用能力，践行节能减排、力争完成“碳达峰”和“碳中和”的战略目标具有重要的现实意义。
相变材料具有储热密度高、储/放热过程中温度几乎不变、熔点分布广、化学性质稳定以及耐腐蚀等优点，在热能存储领域受到广泛应用。然而，常见的相变材料导热系数低，储能效率低，难以实现短时间高效、迅速、均匀地传热，严重限制其储/放热速率的提升，制约了相变材料实际应用的发展。
有鉴于此，为了强化相变传热研究者们提出了多种方案，例如通过在相变材料中添加具有高导热性的泡沫金属框架或者纳米粒子，加入翅片以增大换热面积。但是泡沫金属和翅片的存在会严重抑制液态相变材料的自然对流换热，纳米粒子的添加也会大幅降低相变材料的相变焓值，削弱其储热量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于磁性液态金属的余热式梯级储能供热系统。
本发明所采用的技术方案是：一种基于磁性液态金属的余热式梯级储能供热系统，其特征在于：具有换热管、外壳和电磁装置；
所述换热管穿装于外壳内，换热管和外壳之间充填相变材料和具有高导热系数且凝点低于相变材料工作温度的磁性液态金属；
所述电磁装置能产生指向换热管圆心或背向换热管圆心的径向磁场，该电磁装置产生的径向磁场能使位于换热管和外壳之间的磁性液态金属形成紧贴储能时相变材料固液相界面的液态金属套管。
一种基于磁性液态金属的余热式梯级储能供热系统，其特征在于：具有换热管和电磁铁外壳；
所述换热管同轴穿装于电磁铁外壳内，换热管和外壳之间充填相变材料和具有高导热系数且凝点低于相变材料工作温度的磁性液态金属；
所述电磁铁外壳能产生指向换热管圆心或背向换热管圆心的径向磁场，径向磁场能使位于换热管和外壳之间的磁性液态金属形成紧贴储能时相变材料固液相界面的液态金属套管。
所述电磁铁外壳具有壳体和若干均匀嵌于壳体上的铁芯，每根铁芯均沿壳体径向布置，铁芯上绕有导线绕组。
所述换热管采用能产生指向换热管圆心或背向换热管圆心的径向磁场的电磁铁换热管。
所述电磁铁换热管具有管体和若干均匀嵌于管体上的铁芯，每根铁芯均沿管体径向布置，铁芯上绕有导线绕组。
所述磁性液态金属采用含有铁颗粒的镓、铟和锡合金。
所述相变材料采用高焓值的醇类相变材料。
所述相变材料采用赤藓糖醇、山梨糖醇、半乳糖醇中的一种或几种。
一种所述储能供热系统的储能方法，其特征在于：
初始时，换热管和外壳之间的磁性液态金属附着于换热管外表面，相变材料为固态；
储能开始时，产生背向换热管圆心的径向磁场，换热管内高温换热流体的热量经换热管传递给附着于换热管外表面的磁性液态金属，并经磁性液态金属传递给与磁性液态金属接触的固态相变材料，使与磁性液态金属接触的固态相变材料液化；
磁性液态金属接触的固态相变材料液化后，磁性液态金属在背向换热管圆心的径向磁场作用下始终处于相变材料的固液相界面处，热量经磁性液态金属传递给磁性液态金属外围的固态相变材料，使与磁性液态金属接触的固态相变材料液化，直至换热管和外壳之间的相变材料全部液化，磁性液态金属附着在外壳内表面。
一种所述储能供热系统的供热方法，其特征在于：
初始时，换热管和外壳之间的磁性液态金属附着于外壳内表面，相变材料为液态；
供热开始时，产生指向换热管圆心的径向磁场，附着于外壳内表面的磁性液态金属在径向磁场作用下向圆心移动并附着于换热管外表面；
相变材料的热量经磁性液态金属和换热管传递给换热管内的低温换热流体。
本发明的有益效果是：(1)本发明在换热管和外壳之间设置磁性液态金属，高导热系数的磁性液态金属在径向磁场作用下，在余热回收储能过程中始终紧贴固态相变材料的熔化界面，强化相变材料相变界面的传热，提高了储能效率。
(2)磁性液态金属具有强导热性，且具有流动性，磁性液态金属与固态相变材料界面、外壳和换热管的壁面可以充分接触，填充界面间的缝隙并延展了传热表面，强化了界面处的传热，提高了储能和供热的效率。
(3)利用高焓值醇类相变材料进行相变储热和供热，同时利用高比热容的磁性液态金属进行显热储热和供热，实现余热的综合梯级利用。
(4)电磁铁外壳和电磁铁换热管都是一体化的结构设计，电磁铁外壳和电磁铁换热管通电时产生的热量可以被相变材料充分吸收，使得这部分余热被充分回收利用。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
图2为实施例1的断面示意图。
图3为实施例1中外壳的结构示意图(径向磁场背向换热管圆心)。
图4为实施例1中外壳的结构示意图(径向磁场指向换热管圆心)。
图5为实施例1中储能时的断面结构状态示意图。
图6为实施例1中供热时的断面结构状态示意图。
1、外壳；1-1、铁芯；2、连接线I；3、稳压恒流直流电源；4、电磁铁换热管；5、连接线II；6、换热流体；7、相变材料；8、磁性液态金属。
具体实施方式
实施例1：本实施例为一种基于磁性液态金属的余热式梯级储能供热系统，具有外壳和同轴插装于外壳内的换热管，换热管和外壳之间充填相变材料和磁性液态金属，磁性液态金属具有高导热系数且凝点低于相变材料工作温度。
本例中外壳采用电磁铁外壳，电磁铁外壳能产生指向换热管圆心或背向换热管圆心的径向磁场。电磁铁外壳具有壳体和若干均匀嵌于壳体上的铁芯，每根铁芯均沿壳体径向布置，铁芯上绕有导线绕组，导线绕组共同经连接线Ⅰ电路连接稳压恒流直流电源，稳压恒流直流电源为电磁铁外壳供电，控制电磁铁外壳所产生径向磁场的方向和强弱。
本实施例中换热管采用电磁铁换热管，电磁铁换热管能产生指向换热管圆心或背向换热管圆心的径向磁场。电磁铁换热管具有管体和若干均匀嵌于管体上的铁芯，每根铁芯均沿管体径向布置，铁芯上绕有导线绕组，导线绕组共同经连接线Ⅱ电路连接稳压恒流直流电源，稳压恒流直流电源为电磁铁换热管供电，控制电磁铁换热管所产生径向磁场的方向和强弱。
本实施例中磁性液态金属在外壳和换热管所产生的径向磁场作用下形成套于换热管外的液态金属套管，液态金属套管可在磁场作用下沿着磁场方向收缩或扩大。
本例中磁性液态金属具有高导热系数和高比热容，可以进行显热储热，如含有磁性铁颗粒的镓、铟和锡合金。铁颗粒优选纳米级尺寸，铁纳米颗粒可以与液态合金充分混合，液态合金黏度大，受剪切黏性的作用，铁纳米颗粒会带着液态合金共同移动。液态合金的优势是具有流动性，可以填充表面缝隙，强化传热。
本实施例中相变材料选用高焓值的醇类相变材料，可以进行相变储热，如赤藓糖醇、山梨糖醇、半乳糖醇等。
本实施例的工作原理如下：
1、储能时原理如下：
初始时，换热管和外壳之间的磁性液态金属附着于换热管外表面，相变材料为固态，磁性液态金属和固态相变材料直接接触。
储能开始时，工业余热产生的高温换热流体开始在换热管内流动时，稳压恒流直流电源产生的恒定直流电流通过连接线I、Ⅱ流入外壳和换热管，产生稳定的背离圆心的径向磁场。
由于磁性液态金属具有高导热系数，因此高温换热流体的热量通过电磁铁换热管可以迅速传给磁性液态金属，使得磁性液态金属的温度迅速升高；由于高温的磁性液态金属的导热系数高，强化了换热管外壁面和相变材料之间的传热，因此与磁性液态金属接触的相变材料会率先迅速熔化。
在背离圆心的径向磁场的作用下，磁性液态金属作为液体会跟固态相变材料的熔化表面充分接触，始终紧贴固态相变材料的熔化界面，并沿着背离径向的方向不断移动。因此磁性液态金属会始终保持在相变材料的固液相界面处，持续强化固液相界面处的传热，直至换热管和外壳之间的相变材料全部液化，磁性液态金属附着在外壳内表面。附着在外壳内表面的磁性液态金属可以继续吸收高温换热流体的热量，进行显热储热，防止热流量向外壳外传递，将换热流体的热量充分回收利用。
通过数值模拟的方法分析发现相变储热系统主要的传热热阻分布于壁面和相变材料界面处以及相变材料的固液相界面处，本实施例通过磁性液态金属既可以强化换热管外壁面和相变材料之间的传热，也可以强化相变材料固液相界面处的传热。
此外，直流电流流经电磁铁外壳和电磁铁换热管时不可避免的会产生热量。电磁铁外壳是一个整体，其产生的热量会通过电磁铁外壳的壁面传递给相变材料，使这部分余热被充分回收利用。电磁铁换热管也是一个整体，其产生的热量会通过电磁铁换热管的壁面传递给相变材料，使这部分余热被充分回收利用。
2、供热时原理如下：
初始时，换热管和外壳之间的磁性液态金属受背离圆心的径向磁场的作用附着于外壳内表面，相变材料为液态。
供热开始时，用于供热的低温换热流体在换热管内流动，改变稳压恒流直流电源的输出电流方向，使稳压恒流直流电源产生的恒定直流电流通过连接线I、Ⅱ流入电磁铁外壳和换热管，产生稳定的指向圆心的径向磁场。在指向圆心的径向磁场作用下，磁性液态金属会定向地朝换热管快速移动，最终附着在换热管的外表面上。
由于磁性液态金属具有高导热系数，因此高温的磁性液态金属首先会将储存的显热释放给换热流体，因此换热流体的温度会逐步升高，磁性液态金属放热温度会逐渐降低，当磁性液态金属的温度低于相变材料的凝固温度时，液态相变材料开始凝固放热，液态相变材料凝固释放的热量通过磁性液态金属可以迅速传给换热管，并进一步传递给低温换热流体，使低温换热流体的温度进一步升高。
最后相变材料完全凝固，磁性液态金属作为液体会始终紧贴电磁铁换热管的外壁面，相变材料和磁性液态金属所储存的热量完全传递给换热流体。高温换热流体从换热管流出，用于供热。整个系统完成一次储能和供热的循环，恢复到了储能工况的初始状态，后续可以进行多次的储能供热循环。
由于磁性液态金属的导热系数高，强化了电磁铁换热管外壁面和相变材料之间的传热，因此与磁性液态金属接触的相变材料会率先迅速凝固。此时在指向圆心的径向磁场的作用下，磁性液态金属作为液体会始终紧贴换热管的外壁面，同时磁性液态金属因为其良好的流动性，也会跟已凝固的相变材料的表面充分接触，消除接触面的间隙。因此磁性液态金属作为桥梁，可以持续强化相变材料与换热管之间的传热，将热量传递给换热流体，使其温度不断升高。
此外，直流电流流经电磁铁外壳和电磁铁换热管时不可避免的会产生热量。电磁铁外壳是一个整体，其产生的热量会通过电磁铁外壳的壁面传递给相变材料，并进一步传递给换热流体使这部分余热被充分回收利用。电磁铁换热管也是一个整体，其产生的热量会通过电磁铁换热管的壁面直接传递给换热流体，使这部分余热被充分回收利用。
实施例2：本实施例结构和工作原理与实施例1基本相同，不同之处仅在于本实施例中产生径向磁场的为专门另设的电磁装置。

Claims (10)

1.一种基于磁性液态金属的余热式梯级储能供热系统，其特征在于：具有换热管、外壳和电磁装置；
所述换热管穿装于外壳内，换热管和外壳之间充填相变材料和具有高导热系数且凝点低于相变材料工作温度的磁性液态金属；
所述电磁装置能产生指向换热管圆心或背向换热管圆心的径向磁场，该电磁装置产生的径向磁场能使位于换热管和外壳之间的磁性液态金属形成紧贴储能时相变材料固液相界面的液态金属套管。
2.一种基于磁性液态金属的余热式梯级储能供热系统，其特征在于：具有换热管和电磁铁外壳；
所述换热管同轴穿装于电磁铁外壳内，换热管和外壳之间充填相变材料和具有高导热系数且凝点低于相变材料工作温度的磁性液态金属；
所述电磁铁外壳能产生指向换热管圆心或背向换热管圆心的径向磁场，径向磁场能使位于换热管和外壳之间的磁性液态金属形成紧贴储能时相变材料固液相界面的液态金属套管。
3.根据权利要求2所述的基于磁性液态金属的余热式梯级储能供热系统，其特征在于：所述电磁铁外壳具有壳体和若干均匀嵌于壳体上的铁芯，每根铁芯均沿壳体径向布置，铁芯上绕有导线绕组。
4.根据权利要求2所述的基于磁性液态金属的余热式梯级储能供热系统，其特征在于：所述换热管采用能产生指向换热管圆心或背向换热管圆心的径向磁场的电磁铁换热管。
5.根据权利要求4所述的基于磁性液态金属的余热式梯级储能供热系统，其特征在于：所述电磁铁换热管具有管体和若干均匀嵌于管体上的铁芯，每根铁芯均沿管体径向布置，铁芯上绕有导线绕组。
6.根据权利要求1或2所述的基于磁性液态金属的余热式梯级储能供热系统，其特征在于：所述磁性液态金属采用含有铁颗粒的镓、铟和锡合金。
7.根据权利要求1或2所述的基于磁性液态金属的余热式梯级储能供热系统，其特征在于：所述相变材料采用高焓值的醇类相变材料。
8.根据权利要求7所述的基于磁性液态金属的余热式梯级储能供热系统，其特征在于：所述相变材料采用赤藓糖醇、山梨糖醇、半乳糖醇中的一种或几种。
9.一种权利要求1～8任意一项所述储能供热系统的储能方法，其特征在于：
初始时，换热管和外壳之间的磁性液态金属附着于换热管外表面，相变材料为固态；
储能开始时，产生背向换热管圆心的径向磁场，换热管内高温换热流体的热量经换热管传递给附着于换热管外表面的磁性液态金属，并经磁性液态金属传递给与磁性液态金属接触的固态相变材料，使与磁性液态金属接触的固态相变材料液化；
磁性液态金属接触的固态相变材料液化后，磁性液态金属在背向换热管圆心的径向磁场作用下始终处于相变材料的固液相界面处，热量经磁性液态金属传递给磁性液态金属外围的固态相变材料，使与磁性液态金属接触的固态相变材料液化，直至换热管和外壳之间的相变材料全部液化，磁性液态金属附着在外壳内表面。
10.一种权利要求1～8任意一项所述储能供热系统的供热方法，其特征在于：
初始时，换热管和外壳之间的磁性液态金属附着于外壳内表面，相变材料为液态；
供热开始时，产生指向换热管圆心的径向磁场，附着于外壳内表面的磁性液态金属在径向磁场作用下向圆心移动并附着于换热管外表面；
相变材料的热量经磁性液态金属和换热管传递给换热管内的低温换热流体。
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CN117108487B (zh) * 2023-08-07 2024-04-02 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 一种储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统及方法

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