CN114562904A - 一种相变蓄热换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变蓄热换热器，该相变蓄热换热器包括：壳体，内部设置有热管换热集液槽；所述热管换热集液槽中设置换热管，热管工质通过换热管从热源吸热；热管，设置在所述壳体中，所述热管的蒸发段与所述热管集液槽连通；所述热管呈点阵结构；蓄热腔，设置在所述壳体中，所述热管的隔热段位于所述蓄热腔中；放热腔，设置在所述壳体中，所述热管的冷凝段设置在所述放热腔中；所述放热腔的一端设置有进口，所述放热腔的另一端设置有出口；相变蓄热材料，填充在所述壳体中的所述第一隔板、所述热管以及所述第二隔板包围形成的空隙中。如此，增加了热管与相变蓄热材料的接触面积与换热流体的接触面积，提高了相变蓄热换热器的换热性能。

Description

一种相变蓄热换热器

技术领域

本发明涉及蓄热技术领域，具体涉及一种相变蓄热换热器。

背景技术

现有技术中蓄热换热器通常采用泡沫金属作为金属骨架，可以在一定程度上提高蓄热换热器的换热性能。但由于泡沫金属的结构不可控、可设计性差，且蓄热换热器中的换热管与金属骨架之间存在较大的热阻，同时，传统换热管的换热面积有限，使得传统换热管的换热能力不足。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中存在的传统的蓄热换热器中热管结构换热能力不足的问题，从而提供一种相变蓄热换热器。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种相变蓄热换热器，该相变蓄热换热器包括：壳体，内部设置有热管换热集液槽，所述热管换热集液槽中安装有换热管；所述换热管与集热热源连通；热管，设置在所述壳体中，所述热管的蒸发段与所述热管换热集液槽连通；所述热管与所述热管换热集液槽中适于充注热管工质；所述热管呈点阵结构；放热腔，设置在所述壳体中，所述热管的冷凝段设置在所述放热腔中；所述放热腔的一端设置有进口，所述放热腔的另一端设置有出口；所述壳体的底部设置有第一隔板，所述第一隔板与所述壳体的底部包围形成所述热管换热集液槽；所述壳体的顶部设置有第二隔板，所述第二隔板与所述壳体的顶部包围形成所述放热腔；蓄热腔，设置在所述壳体中，由所述壳体、所述第一隔板以及所述第二隔板包围形成；所述热管的隔热段位于所述蓄热腔中；相变蓄热材料，填充在所述壳体中的所述第一隔板、所述热管以及所述第二隔板包围形成的空隙中。

可选地，所述壳体的内部设置有内胆，所述热管换热集液槽、所述热管、所述蓄热腔以及所述放热腔设置在所述内胆中。

可选地，所述壳体与所述内胆之间设置有保温层。

可选地，所述的保温层至少采用岩棉及岩棉制品、玻璃棉及玻璃棉制品、硅酸钙绝热制品、硅酸铝棉及硅酸铝棉制品、硅酸盐复合绝热材料、膨胀珍珠岩及膨胀珍珠岩制品、膨胀蛭石及膨胀蛭石制品、泡沫石棉、泡沫玻璃、泡沫橡塑绝热制品、泡沫塑料制品、气凝胶、无机纳米材料中的一种组成。

可选地，所述内胆、所述热管、所述第一隔板及所述第二隔板为一体成型结构。

可选地，所述点阵结构包括周期性点阵结构或/和梯度点阵结构。

可选地，所述点阵结构包括二维点阵结构或/和三维点阵结构。

可选地，所述三维点阵结构包括体心立方点阵结构、面心立方点阵结构、四面体点阵结构、钻石型点阵结构、拱形桁架点阵结构。

可选地，所述点阵结构由多根支柱构成，所述支柱的截面轮廓呈正方形、圆形、三角形、多边形或流线形。

可选地，所述支柱呈实心结构或空心结构。

可选地，所述壳体、所述内胆、所述热管、所述第一隔板及所述第二隔板由石墨、碳化硅、氧化镁、氧化铝、氧化铁、氧化锆、碳纳米管、碳纤维、石墨烯及金属中的至少一种材料制成。

可选地，所述相变蓄热材料为有机相变蓄热材料，所述有机相变蓄热材料至少包括脂肪酸、石蜡、直链烷烃、脂肪醇以及酯类物质。

可选地，所述相变蓄热材料为无机盐类相变蓄热材料，所述无机盐类相变蓄热材料至少包括碱金属或碱土金属卤化物、硝酸盐、碳酸盐、氟化盐、盐酸盐及硫酸盐。

可选地，所述相变蓄热材料为单一金属或由不同种金属组成的二元、三元等多元合金。

可选地，所述热管工质可为制冷剂、丙酮、甲醇、乙醇、水、导热姆、汞、钾、钠中的任意一种。

可选地，所述热源可为电加热、工业余热、地热热源中的至少一种。

本发明技术方案与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明实施例提供了一种相变蓄热换热器，该相变蓄热换热器包括：壳体，内部设置有热管换热集液槽，所述热管换热集液槽中安装有换热管；所述换热管与集热热源连通；热管，设置在所述壳体中，所述热管的蒸发段与所述热管换热集液槽连通；所述热管与所述热管换热集液槽中适于充注热管工质；所述热管呈点阵结构；放热腔，设置在所述壳体中，所述热管的冷凝段设置在所述放热腔中；所述放热腔的一端设置有进口，所述放热腔的另一端设置有出口；蓄热腔，设置在所述壳体中，由所述壳体、所述第一隔板以及所述第二隔板包围形成；所述热管的隔热段位于所述蓄热腔中；相变蓄热材料，填充在所述壳体中的所述第一隔板、所述热管以及所述第二隔板包围形成的空隙中。

如此设置，热管采用点阵结构，能够增加热管整体的换热面积，从而增加了热管与相变蓄热材料的接触面积以及热管与放热腔中流过的换热流体的接触面积，从而提高了相变蓄热换热器的换热性能。同时，点阵结构可设计行强，从而可以适应不同场景以及不同壳体大小的情况。并且，呈点阵结构的热管能够对相变蓄热换热器起到良好的支撑作用，提高相变蓄热换热器的整体结构强度，延长相变蓄热换热器的使用寿命。

2.本发明实施例通过将所述内胆、所述热管、所述第一隔板及所述第二隔板设置为一体成型结构，可实现所述内胆、所述热管、所述第一隔板及所述第二隔板的一体化制造，进一步提高了蓄热体的整体强度，降低了相变材料的泄露风险。同时避免了焊接及组装过程中产生的热阻，进一步提高相变蓄热换热器的换热性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通工人来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例相变蓄热换热器的整体结构示意图；

图2为本发明实施例相变蓄热换热器的剖视图；

图3为本发明实施例相变蓄热换热器的内部图；

图4为本发明实施例相变蓄热换热器的热管换热集液槽、蓄热腔和放热腔的标注图；

图5为本发明实施例相变蓄热换热器的换热管的结构图；

图6为本发明实施例点阵结构的示意图；

图7为本发明实施例相变蓄热换热器在蓄热时的示意图；

图8为本发明实施例相变蓄热换热器在放热时的示意图。

附图标记：

1、壳体；2、内胆；3、保温层；4、热管；5、换热管；6、第一隔板；7、第二隔板；8、相变蓄热材料；9、热管工质；10、热管换热集液槽；11、放热腔，12、蓄热腔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通工人在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等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，而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”、“第三”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，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通工人而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

现有技术中蓄热换热器通常采用泡沫金属作为金属骨架，可以在一定程度上提高蓄热换热器的换热性能。但由于泡沫金属的结构不可控、可设计性差，且蓄热换热器中的换热管与金属骨架之间存在较大的热阻，同时，传统换热管的换热面积有限，使得传统换热器的换热能力不足。

因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中存在的传统的蓄热换热器中换热结构换热能力不足的问题，从而提供一种相变蓄热换热器。

实施例1

如图1至图8所示，本发明实施例提供了一种相变蓄热换热器，该相变蓄热换热器包括壳体1、热管换热集液槽10、蓄热腔12、热管4以及放热腔11。壳体1中还填充有相变蓄热材料8。

具体地，壳体1内部设置有热管换热集液槽10，所述热管换热集液槽10中安装有换热管5，所述换热管5与集热热源连通。热管4设置在所述壳体1中，所述热管4的蒸发段与所述热管换热集液槽10连通，所述热管4与所述热管换热集液槽10中适于充注热管工质9，所述热管4呈点阵结构。放热腔11设置在所述壳体1中，所述热管4的冷凝段设置在所述放热腔11中。所述放热腔11的一端设置有进口，所述放热腔11的另一端设置有出口。所述壳体1的底部设置有第一隔板6，所述第一隔板6与所述壳体1的底部包围形成所述热管换热集液槽10。同样地，还可以在所述壳体1的顶部设置第二隔板7，所述第二隔板7与所述壳体1的顶部包围形成所述放热腔11。如图4所示，蓄热腔12设置在所述壳体1中，由所述壳体1、所述第一隔板6以及所述第二隔板7包围形成。所述热管4的隔热段位于所述蓄热腔12中。同时，还可以在所述壳体1的内部设置有内胆2，所述热管换热集液槽10、所述热管4、蓄热腔12以及所述放热腔11设置在所述内胆2中。

相变蓄热材料8填充在所述壳体1中的所述第一隔板6、所述热管4以及第二隔板7包围形成的空隙中。在本发明实施例中，所述热管工质9可以为制冷剂、丙酮、甲醇、乙醇、水、导热姆、汞、钾、钠中的任意一种。所述集热热源可为电加热、工业余热、地热热源中的至少一种。

在本发明实施例中，相变蓄热换热器的工作过程分为蓄热和释热两个阶段，两个阶段可分别进行或同时进行。蓄热时，如图7所示，热源通过换热管5将热量传递给热管换热集液槽10中的热管工质9，热管工质9吸热蒸发，热管4启动，热管4的壁面温度上升，通过热管4的壁面将热量传递给所述壳体1中的所述第一隔板6、所述热管4以及第二隔板7包围形成的空隙中的相变蓄热材料8，相变蓄热材料8吸热开始熔化，使热能不断的以潜热的方式储存在相变蓄热材料8内。

释热时，如图8所示，冷流体通过放热腔11，与热管4发生热量交换，热管工质9冷凝放热，热流体被加热成热流体。热管工质9的热量被吸收之后，可以通过热管4与相变蓄热材料8或热源换热进行热量交换，使热能不断的以热流体的方式向外输出。

相变蓄热以其蓄热密度高、换热温差变化幅度小等特点，在节能、余热回收等场合得到了广泛的应用。但是很多相变蓄热材料8的导热系数都较小，这必然会严重影响其换热速率。热管4作为高效传热器件，相变蓄热材料8和热管4的耦合设计能够很好的解决相变蓄热材料8换热性能差的问题，能起到强化传热作用。但传统的热管4结构的换热面积有限，而本实施例中的呈点阵结构的热管4具有高比面积、高比强度等优点，可以弥补传统热管的不足，充分发挥热管的超导热性能。

如此设置，热管4采用点阵结构，能够增加热管4整体的换热面积，从而增加了热管4与相变蓄热材料8的接触面积以及热管4与放热腔11中流过的换热流体的接触面积，从而提高了相变蓄热换热器的换热性能。同时，点阵结构可设计性强，从而可以适应不同场景以及不同壳体1大小的情况。并且，呈点阵结构的热管4能够对相变蓄热换热器起到良好的支撑作用，提高相变蓄热换热器的整体结构强度，延长相变蓄热换热器的使用寿命。

进一步地，在本发明的一个可选实施例中，所述壳体1与所述内胆2之间设置有保温层3。具体地，所述的保温层3至少采用岩棉及岩棉制品、玻璃棉及玻璃棉制品、硅酸钙绝热制品、硅酸铝棉及硅酸铝棉制品、硅酸盐复合绝热材料、膨胀珍珠岩及膨胀珍珠岩制品、膨胀蛭石及膨胀蛭石制品、泡沫石棉、泡沫玻璃、泡沫橡塑绝热制品、泡沫塑料制品、气凝胶、无机纳米材料中的一种组成。

当然，本实施例仅仅是对保温层3的材质进行举例说明，但是并不加以限制，本领域技术人员可以根据实际情况进行改变，能够起到相同的技术效果即可。

进一步地，在本发明的一个可选实施例中，所述内胆2、所述热管4、所述第一隔板6及所述第二隔板7为一体成型结构。本发明实施例通过将所述内胆2、所述热管4、所述第一隔板6及所述第二隔板7设置为一体成型结构，可实现所述内胆2、所述热管4、所述第一隔板6及所述第二隔板7的一体化制造，进一步提高了蓄热体的整体强度，降低了相变材料的泄露风险。同时避免了焊接及组装过程中产生的热阻，进一步提高相变蓄热换热器的换热性能。

进一步地，在本发明的一个可选实施例中，所述点阵结构可以是周期性点阵结构或梯度点阵结构。当然，本领域技术人员也可以根据实际情况同时设置周期性点阵结构和梯度点阵结构。同样地，所述点阵结构可以是二维点阵结构或三维点阵结构。当然，本领域技术人员也可以根据实际情况同时设置二维点阵结构和三维点阵结构。具体地，所述三维点阵结构可以包括体心立方点阵结构、面心立方点阵结构、四面体点阵结构、钻石型点阵结构、拱形桁架点阵结构以及各种拓扑优化结构，如图6所示。

当然，本实施例仅仅是对点阵结构的具体类型进行举例说明，但是并不对此进行限制，本领域技术人员可以根据实际情况对点阵结构的具体类型进行改变，能够起到相同的技术效果即可。

进一步地，在本发明的一个可选实施例中，所述点阵结构由多根支柱构成，所述支柱的截面外轮廓可以呈正方形、圆形、三角形、多边形或流线形。具体地，所述支柱可以呈实心结构或空心结构。如图5所示，当所述支柱呈空心结构时，呈空心结构的支柱互相连通，热管工质9可从支柱中的通道穿过，增强换热。

当然，本实施例仅仅是对支柱的具体类型进行举例说明，但是并不对此进行限制，本领域技术人员可以根据实际情况对支柱的具体类型进行改变，能够起到相同的技术效果即可。

进一步地，在本发明的一个可选实施例中，所述壳体1、所述内胆2、所述热管4、所述第一隔板6及所述第二隔板7由石墨、碳化硅、氧化镁、氧化铝、氧化铁、氧化锆、碳纳米管、碳纤维、石墨烯及金属中的至少一种材料制成。

进一步地，在本发明的一个可选实施例中，所述相变蓄热材料8可以为有机相变蓄热材料8和无机盐类相变蓄热材料8，所述有机相变蓄热材料8至少包括脂肪酸、石蜡、直链烷烃、脂肪醇以及酯类物质。所述无机盐类相变蓄热材料8至少包括碱金属或碱土金属卤化物、硝酸盐、碳酸盐、氟化盐、盐酸盐及硫酸盐。另外，所述相变蓄热材料8还可以为单一金属或由不同种金属组成的二元、三元等多元合金。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通工人来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (16)

1.一种相变蓄热换热器，其特征在于，包括：

壳体(1)，内部设置有热管换热集液槽(10)，所述热管换热集液槽(10)中安装有换热管(5)；所述换热管(5)与集热热源连通；

热管(4)，设置在所述壳体(1)中，所述热管(4)的蒸发段与所述热管换热集液槽(10)连通；所述热管(4)与所述热管换热集液槽(10)中适于充注热管工质(9)；所述热管(4)呈点阵结构；

放热腔(11)，设置在所述壳体(1)中，所述热管(4)的冷凝段设置在所述放热腔(11)中；所述放热腔(11)的一端设置有进口，所述放热腔(11)的另一端设置有出口；

所述壳体(1)的底部设置有第一隔板(6)，所述第一隔板(6)与所述壳体(1)的底部包围形成所述热管换热集液槽(10)；

所述壳体(1)的顶部设置有第二隔板(7)，所述第二隔板(7)与所述壳体(1)的顶部包围形成所述放热腔(11)；

蓄热腔(12)，设置在所述壳体(1)中，由所述壳体(1)、所述第一隔板(6)以及所述第二隔板(7)包围形成；所述热管(4)的隔热段位于所述蓄热腔(12)中；

相变蓄热材料(8)，填充在所述壳体(1)中的所述第一隔板(6)、所述热管(4)以及所述第二隔板(7)包围形成的空隙中。

2.根据权利要求1所述的相变蓄热换热器，其特征在于，所述壳体(1)的内部设置有内胆(2)，所述热管换热集液槽(10)、所述热管(4)、所述蓄热腔(12)以及所述放热腔(11)设置在所述内胆(2)中。

3.根据权利要求2所述的相变蓄热换热器，其特征在于，所述壳体(1)与所述内胆(2)之间设置有保温层(3)。

4.根据权利要求3所述的相变蓄热换热器，其特征在于，所述的保温层(3)至少采用岩棉及岩棉制品、玻璃棉及玻璃棉制品、硅酸钙绝热制品、硅酸铝棉及硅酸铝棉制品、硅酸盐复合绝热材料、膨胀珍珠岩及膨胀珍珠岩制品、膨胀蛭石及膨胀蛭石制品、泡沫石棉、泡沫玻璃、泡沫橡塑绝热制品、泡沫塑料制品、气凝胶、无机纳米材料中的一种组成。

5.根据权利要求2至4任一项所述的相变蓄热换热器，其特征在于，所述内胆(2)、所述热管(4)、所述第一隔板(6)及所述第二隔板(7)为一体成型结构。

6.根据权利要求1至4任一项所述的相变蓄热换热器，其特征在于，所述点阵结构包括周期性点阵结构或/和梯度点阵结构。

7.根据权利要求1至4任一项所述的相变蓄热换热器，其特征在于，所述点阵结构包括二维点阵结构或/和三维点阵结构。

8.根据权利要求7所述的相变蓄热换热器，其特征在于，所述三维点阵结构包括体心立方点阵结构、面心立方点阵结构、四面体点阵结构、钻石型点阵结构、拱形桁架点阵结构。

9.根据权利要求1至4任一项所述的相变蓄热换热器，其特征在于，所述点阵结构由多根支柱构成，所述支柱的截面轮廓呈正方形、圆形、三角形、多边形或流线形。

10.根据权利要求9所述的相变蓄热换热器，其特征在于，所述支柱呈实心结构或空心结构。

11.根据权利要求2至4任一项所述的相变蓄热换热器，其特征在于，所述壳体(1)、所述内胆(2)、所述热管(4)、所述第一隔板(6)及所述第二隔板(7)由石墨、碳化硅、氧化镁、氧化铝、氧化铁、氧化锆、碳纳米管、碳纤维、石墨烯及金属中的至少一种材料制成。

12.根据权利要求1至4任一项所述的相变蓄热换热器，其特征在于，所述相变蓄热材料(8)为有机相变蓄热材料(8)，所述有机相变蓄热材料(8)至少包括脂肪酸、石蜡、直链烷烃、脂肪醇以及酯类物质。

13.根据权利要求1至4任一项所述的相变蓄热换热器，其特征在于，所述相变蓄热材料(8)为无机盐类相变蓄热材料(8)，所述无机盐类相变蓄热材料(8)至少包括碱金属或碱土金属卤化物、硝酸盐、碳酸盐、氟化盐、盐酸盐及硫酸盐。

14.根据权利要求1至4任一项所述的相变蓄热换热器，其特征在于，所述相变蓄热材料(8)为单一金属或由不同种金属组成的二元、三元等多元合金。

15.根据权利要求1至4任一项所述的相变蓄热换热器，其特征在于，所述热管工质(9)可为制冷剂、丙酮、甲醇、乙醇、水、导热姆、汞、钾、钠中的任意一种。

16.根据权利要求1至4任一项所述的相变蓄热换热器，其特征在于，所述热源可为电加热、工业余热、地热热源中的至少一种。

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