CN114576872B - 一种滚筒式光热转换及储/放热一体化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滚筒式光热转换及储/放热一体化系统,涉及光热转换及高效储/放热技术领域。可以实现同时或者分别的储/放热过程,并且,还可以通过降低光热转换面的温度以提高光热转换效率,通过减小传热热阻以提高换热速率。所述一体化系统包括通入冷流体的第一滚筒、通入热流体的第二滚筒以及盛放有切片相变材料第一容器、盛放有液态相变材料第二容器;所述液态相变材料在第一滚筒外壁放热凝固,并被第一滚筒携带至刮刀处刮下,形成切片相变材料落入第一容器中;所述切片相变材料在第二滚筒外壁吸热熔化,并被第二滚筒携带至刮刀处,形成液态相变材料引入第二容器中。热转换效率高,换热速率快。
Description
技术领域
本发明涉及光热转换及高效储/放热技术领域,特别涉及一种滚筒式光热转换及储/放热一体化系统与方法。
背景技术
近年来,由于化石能源的过度消耗和严重的环境问题,广泛使用可再生能源代替化石燃料引起了全世界的关注。能源供需之间的矛盾比之前的任何几十年都更加突出。光热转换及储/放热是应对能源供需矛盾的有效方法。目前,光热转换及储/放热技术已有相当多的应用,但还存在着以下问题:(1)储/放热过程通常都是分开进行的,难以在一个装置中同时或者分别进行;(2)光热转换面易产生高温造成大量的热损失,进而降低光热转换效率;(3)相变材料凝固放热后与换热面之间形成较大的热阻,进而降低换热速率。
发明内容
本发明针对以上问题,提出了一种滚筒式光热转换及储/放热一体化系统,可以实现同时或者分别的储/放热过程,并且,还可以通过降低光热转换面的温度以提高光热转换效率,通过减小传热热阻以提高换热速率。
本发明的技术方案为:所述一体化系统包括通入冷流体22的第一滚筒2、通入热流体62的第二滚筒6以及盛放有切片相变材料31第一容器4、盛放有液态相变材料81第二容器7;
所述第一滚筒2设于第二容器7中,所述第二滚筒6设于第一容器4中;所述第一滚筒2朝向第一容器4的一侧及第二滚筒6朝向第二容器7的一侧都设置有刮刀5,并且第一滚筒2及第二滚筒6的外壁都设有亲相变材料涂层;从容器四周观察,第一滚筒2和第二滚筒6均顺时针转动,以保证液态或固态相变材料能顺利地被刮刀刮下。
所述液态相变材料81在第一滚筒2外壁放热凝固,并被第一滚筒2携带至刮刀处刮下,形成切片相变材料31落入第一容器4中;
所述切片相变材料31在第二滚筒6外壁吸热熔化,并被第二滚筒6携带至刮刀处,形成液态相变材料81引入第二容器7中。
所述第一容器4和第二容器7外侧包裹有保温层1,以减少热量损失。
所述第一滚筒2可旋转的连接在第二容器7中,所述第二滚筒6可旋转的连接在第一容器4中,并且通过独立的旋转动力源,比如固定设置在第一容器4或第二容器7外壁上的电机等独立驱动第一滚筒2及第二滚筒6绕自身轴心旋转。从而使得第一滚筒2和第二滚筒6分别可调整转速,以保证换热功率达到要求。
所述第一滚筒2的外壁上还设有吸光材料层21。吸光材料层21应具有高吸收率和亲相变材料的特点,如:石墨,负载氮化钛的碳化硅骨架等材料。从而可按需选择是否借助光照对第一滚筒2中的冷流体进行辅助加热。
并且,所述第二滚筒6的外壁为吸热面61,所述刮刀5的刀头贴近吸光材料层21或者是吸热面61。以保证将相变材料顺利刮下,并具有一定长度,起到引流的作用。
进一步的,所述刮刀5朝向第一滚筒2或者是第二滚筒6的刀头为波浪状或锯齿状,以分散与刀头与相变材料间的应力,增强系统稳定性。
进一步的,所述第一滚筒2和第二滚筒6为内部结构相同的滚筒,所述滚筒包括内芯部和外筒部,所述内芯部和外筒部之间通过导热支柱10保持固定相连,从而在内芯部和外筒部之间形成流体通道;从而通过导热支柱10起到固定和强化导热的作用。
所述外筒部外壁的两侧设有连通流体通道的进料管以及出料管;
所述内芯部的两侧端面上设有分处于进料管以及出料管中的导流凹槽,分别为处在第一滚筒2中的第一导流凹槽23,及处在第二滚筒6中的第二导流凹槽63以保证换热流体向四周均匀地流动。
作为一种具体应用,所述一体化系统具有n个第一滚筒2、n个第二滚筒6、n个第一容器4、以及n个第二容器7,n为大于1的整数,所述第一容器4及第二容器7呈环状交替布置,各个第一滚筒2之间以及各个第二滚筒6之间都通过软管9保持连通。
本发明中的流体吸热过程和流体放热过程共同形成了整个循环,整个循环可包含若干对吸热和放热过程;并且,流体吸热过程和流体放热过程可单一或同时进行。另外,光热转换过程作为辅助加热过程和流体吸热过程或流体放热过程也可以单一或同时进行,根据流体所需换热量决定是否需要增加光照。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
本发明通过调节滚筒的转动速度实现可控的换热速率,可同时或分别实现相变材料的储热过程,放热过程,从而更好地调节能源供需之间的矛盾。光热过程作为辅助过程,在流体吸热过程中,当流体吸热量不足时将光照射在滚筒外壁的吸光材料上,以补充热量;当流体吸热量充足时将光遮住以结束该过程。
本发明通过滚筒的转动将加热后的液态相变材料及时带走,使得光热转换面温度降低,减少因高温而带来的散热损失,达到提高光热转换效率的目的;通过滚筒与刮刀的配合可以减薄换热面上的固态相变材料层,减小换热热阻,达到提高换热速率的目的。
附图说明
图1是本专利的系统示意图
图2是本专利的流体吸热过程示意图
图3是本专利的流体放热过程示意图
图4是本专利的装置三维图
图5是本专利的装置上视图
图6是本专利的装置左视图
图7是本专利的滚筒三维图
图8是本专利的滚筒上视图
图9是本专利的滚筒左视图
图10是本专利的刮刀上视图
图11是本专利的刮刀左视图
图中标号名称:1是保温层;2是第一滚筒、21是吸光材料层、22是冷流体、23是第一导流凹槽;31是切片相变材料、32是固态相变材料附着层;4是第一容器、5是刮刀、6是第二滚筒、61是吸热面、62是热流体、63是第二导流凹槽;7是第二容器、81是液态相变材料、82是液态相变材料附着层、9是软管、10是导热支柱。
具体实施方式
为能清楚说明本专利的技术特点,下面通过具体实施方式,并结合其附图,对本专利进行详细阐述。
如图1所示,一种滚筒式光热转换及储/放热一体化方法通过以下方式工作:
两个滚筒,一个软管以及相变材料形成一组储热或放热单元,流体吸热过程和流体放热过程共同形成了整个循环,整个循环可包含若干组储热和放热单元,从而形成一个一体化装置(图中只展示了一组储热单元和一组放热单元)。
储热单元和放热单元可单一或同时进行。
光热转换过程作为辅助加热过程和流体吸热过程或流体放热过程可单一或同时进行,根据流体所需换热量决定是否需要增加光照。
如图2所示,一种滚筒式光热转换及储/放热一体化方法通过以下方式工作:
流体吸热过程:在第二容器7中的液态相变材料81接触到低温的第一滚筒外壁21后放热凝固并附着于第一滚筒外壁21,随着滚筒的转动和换热的进行,固态相变材料附着层32逐步增厚,直到旋转至刮刀5处被刮下,切片相变材料31顺着刮刀落入第一容器4中。此外,阳光照射到滚筒外壁面的吸光材料上被转换为热能,进一步加热第一滚筒内部的冷流体22。
如图3所示,一种滚筒式光热转换及储/放热一体化方法通过以下方式工作:
流体放热过程:在第一容器4中的液态相变材料31接触到高温的第二滚筒外壁61后吸热融化并附着于第二滚筒外壁61,随着滚筒的转动和换热的进行,液态相变材料附着层82逐步增厚,直到旋转至刮刀5处被刮下,液态相变材料81顺着刮刀流入第二容器7中。
如图4-6所示,为装置的三维图,上视图及左视图,可以更好的观察容器,滚筒,刮刀,以及软管的排布。
如图7-9所示,为滚筒的三维图,上视图及左视图。
滚筒中的导流凸槽23、63布置在进出流体通道处,是顶部为圆弧状的锥形结构,圆弧状顶部与外壁面的延长线相切,其中锥形底部角为45度。
滚筒中的导热支柱10布置在内外壁之间,沿着流体运动方向错开布置,以保证流体有较大的扰动,从而强化换热。沿着流体运动方向每层导热支柱有8个,即每两个间隔45度以轴线为标准;共有5层,近入口处1层,换热外层处3层,近出口处1层。
如图10,11所示,为刮刀的上视图及左视图。
刮刀5的刀头处为头为波浪状或锯齿状,以分散与刀头与相变材料间的应力,增强系统稳定性。
本发明具体实施途径很多,以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以作出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种滚筒式光热转换及储/放热一体化系统,其特征在于,所述一体化系统包括用于通入冷流体(2-2)的第一滚筒(2)、用于通入热流体(6-2)的第二滚筒(6)以及盛放有切片相变材料(3-1)第一容器(4)、盛放有液态相变材料(8-1)第二容器(7);
所述第一滚筒(2)设于第二容器(7)中,所述第二滚筒(6)设于第一容器(4)中;所述第一滚筒(2)朝向第一容器(4)的一侧及第二滚筒(6)朝向第二容器(7)的一侧都设置有刮刀(5),并且第一滚筒(2)及第二滚筒(6)的外壁都设有亲相变材料涂层;
第一滚筒(2)通入冷流体(2-2)并开始旋转时,所述液态相变材料(8-1)在第一滚筒(2)外壁放热凝固,并被第一滚筒(2)携带至刮刀处刮下,形成切片相变材料(3-1)落入第一容器(4)中;
第二滚筒(6)通入热流体(6-2)并开始旋转时,所述切片相变材料(3-1)在第二滚筒(6)外壁吸热熔化,并被第二滚筒(6)携带至刮刀处,形成液态相变材料(8-1)引入第二容器(7)中;
所述第一滚筒(2)的外壁上还设有吸光材料层(2-1);
所述第二滚筒(6)的外壁为吸热面(6-1),所述刮刀(5)的刀头贴近吸光材料层(2-1)或者是吸热面(6-1);
所述刮刀(5)朝向第一滚筒(2)或者是第二滚筒(6)的刀头为波浪状或锯齿状。
2.根据权利要求1所述的一种滚筒式光热转换及储/放热一体化系统,其特征在于,所述第一容器(4)和第二容器(7)外侧包裹有保温层(1)。
3.根据权利要求1所述的一种滚筒式光热转换及储/放热一体化系统,其特征在于,所述第一滚筒(2)可旋转的连接在第二容器(7)中,所述第二滚筒(6)可旋转的连接在第一容器(4)中,并且通过独立的旋转动力源独立驱动第一滚筒(2)及第二滚筒(6)绕自身轴心旋转。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种滚筒式光热转换及储/放热一体化系统,其特征在于,所述第一滚筒(2)和第二滚筒(6)为内部结构相同的滚筒,所述滚筒包括内芯部和外筒部,所述内芯部和外筒部之间通过导热支柱(10)保持固定相连,从而在内芯部和外筒部之间形成流体通道;
所述外筒部外壁的两侧设有连通流体通道的进料管以及出料管;
所述内芯部的两侧端面上设有分处于进料管以及出料管中的导流凹槽。
5.根据权利要求1-3任一所述的一种滚筒式光热转换及储/放热一体化系统,其特征在于,所述一体化系统具有n个第一滚筒(2)、n个第二滚筒(6)、n个第一容器(4)、以及n个第二容器(7),n为大于1的整数,所述第一容器(4)及第二容器(7)呈环状交替布置,各个第一滚筒(2)之间以及各个第二滚筒(6)之间都通过软管(9)保持连通。
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