CN114659400B - 一种促进管壳式储热装置实现接触熔化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种促进管壳式储热装置实现接触熔化的方法，应用于储热装置传热强化领域。本发明利用光滑的纳米涂层减少相变材料在管壳式储热装置内壁面上的粘附力，使相变材料在熔化过程中更容易滑落与翅片接触，从而促进接触熔化。本发明可有效提高传热效率，提高储热系统的传热性能。

Description

一种促进管壳式储热装置实现接触熔化的方法
技术领域
本发明属于储热装置传热强化领域，具体涉及一种促进管壳式储热装置实现接触熔化的方法。
背景技术
储热装置被广泛应用于能源供应系统中，特别是可再生能源供应系统，用以解决能源供给和需求时间、空间上不匹配的问题，对于能源系统安全稳定运行有着重要的意义。相变材料因其具有储放热过程温度恒定、储能密度大、安全无毒等优点而被广泛应用于储热装置中。但常见相变材料导热系数低，严重影响了储热系统的传热性能。
接触熔化作为一种独特的传热模式，合理应用可大大提高储热系统的传热性能。所谓接触熔化，是指在相变材料熔化过程中，存在持续的外力使得固态相变材料能够紧贴热源表面，使得两者之间熔化的液态相变材料厚度一直保持很薄的状态，大大降低传热过程中的热阻，从而提高传热效率。当前对管壳式储热装置的性能研究中发现，在熔化过程中，固态相变材料容易黏附在储热装置内壁上，导致其无法在重力作用下紧贴翅片热表面，阻碍了接触熔化的发生，降低了传热效率。
发明内容
为了解决相变材料容易黏附在储热装置内壁导致传热效率下降的问题，本发明提出了一种促进管壳式储热装置实现接触熔化的方法：根据相变材料和储热装置外壳内壁面的材料确定纳米涂料，使纳米涂料能喷涂在储热装置外壳内壁面上形成牢固的纳米涂层，且融化状态的相变材料在纳米涂层上的接触角大于100°；
使用气枪将纳米涂料喷涂至管壳式储热装置外壳的内壁面上，然后烘干，在内壁面上形成一层光滑的纳米涂层，纳米涂层减少相变材料在内壁面上的粘附力，使相变材料在熔化过程中更容易滑落并与翅片接触，从而促进接触熔化。
作为本发明的优选方案，所述的纳米涂层与管壳式储热装置外壳的内壁面材料发生反应，形成一层具有光滑效果的薄膜；纳米涂层与相变材料界面之间产生排斥作用，使得相变材料在管壳式储热装置壁面上的粘附减小。
作为本发明的优选方案，所述的相变材料为醇类相变材料、烷烃类相变材料和脂肪酸类相变材料；当相变材料为醇类相变材料时，所述的纳米涂层为疏醇性纳米涂层；当相变材料为烷烃类和脂肪酸类相变材料时，所述的纳米涂层为疏油性纳米涂层。
作为本发明的优选方案，所述的醇类相变材料为十四醇、赤藓糖醇；所述烷烃类相变材料为石蜡、十四烷、十八烷；所述脂肪酸类相变材料为月桂酸、肉豆蔻酸。
作为本发明的优选方案，通常来讲，融化状态的相变材料在纳米涂层上的接触角越大，促进接触融化的效果越好，例如可选接触角范围140-160°；但接触角越大时，满足相应要求的纳米涂层材料或相变材料的可选范围将变小。实际选择时，可从材料易得性和促进接触融化的效果两方面做综合考虑；接触角大于100°时，促进接触融化的效果已经较为理想。
本发明还提供了一种促进实现接触熔化的管壳式储热装置，所述的管壳式储热装置包括位于管壳式储热装置的储热装置外壳两端的端盖、储热装置外壳、换热管道、环形翅片；所述储热装置外壳的内壁面喷涂有一层纳米涂层；换热管道布置在储热装置外壳内部，所述储热装置外壳与换热管道的外壁面之间填充有相变材料；所述环形翅片设置在换热管道的外壁面上；融化状态的相变材料在纳米涂层上的接触角大于100°。
进一步的，所述的储热装置外壳的内壁面材料为金属材料或玻璃材料。
进一步的，端盖和储热装置外壳由螺栓螺母通过法兰结构连接，两者之间存在有密封作用的硅胶垫片。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明根据相变材料和储热装置壁面材料确定纳米涂料，再使用气枪喷涂至壁面上，然后置于高温环境烘干，在壁面上形成一层光滑的纳米涂层，减少相变材料在内壁面上的粘附力，使相变材料在熔化过程中更容易滑落与翅片接触，从而促进接触熔化。本发明能促进接触熔化的发生，从而大大提高传热效率。
不同的纳米涂层有不同的作用对象，如疏水性、疏油性或疏醇性。对于大部分有机相变材料，基本都具有油性或醇性，本发明对纳米涂层的选择使融化状态的相变材料在纳米涂层上的接触角大于100°；在此条件下，若相变材料为油性或醇性，则通常选择的纳米涂层是疏油性或疏醇性的纳米涂层；本发明可以很好地排斥相变材料，减小黏附力，且适用范围广。
经济成本低。疏油性或疏醇性的纳米涂料已经在实现商业生产，涂层的喷涂操作简单，经济成本低。
附图说明
图1现有技术中的管壳式储热装置在纳米涂层喷涂前熔化情况；
图2本发明的管壳式储热装置在纳米涂层喷涂后熔化情况；
附图中，各注释列表如下：
1：端盖、2：储热装置外壳、3：换热管道、4：环形翅片、5：螺栓螺母、6：相变材料、7：硅胶垫片、8：纳米涂层、9：储热装置外壳内壁面。
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，但本发明并不局限所述实例。
如图2所示，本发明的管壳式储热装置包括位于管壳式储热装置的储热装置外壳两端的端盖1、储热装置外壳2、换热管道3、环形翅片4；端盖1和储热装置外壳2由螺栓螺母5通过法兰结构连接，两者之间存在有密封作用的硅胶垫片7。所述储热装置外壳的内壁面9喷涂有一层纳米涂层8；换热管道3布置在储热装置外壳内部，所述储热装置外壳与换热管道的外壁面之间填充有相变材料6；所述环形翅片设置在换热管道的外壁面上；融化状态的相变材料在纳米涂层上的接触角大于100°。涂层的选择以及喷涂方法需根据相变材料和内壁材料进行选择，要保证纳米涂料能喷涂在储热装置外壳内壁面上形成牢固的纳米涂层，且融化状态的相变材料在纳米涂层上的接触角大于100°，本实施例的储热装置外壳内壁面材料为不锈钢。首先，根据相变材料选择纳米涂层，本实例中所使用的相变材料是1-十四烷醇，因此选择疏醇性纳米涂层，具体为希森美克公司出产的YCP0066F9型号纳米涂层。接着使用气枪雾化喷涂至不锈钢壁面上，涂料使用前需要搅拌均匀，建议气枪喷出压力在0.3-0.4MPa，喷涂距离在15-25cm，漆膜厚度在0.5-2μm。然后置于200℃环境固化半小时，在壁面上形成一层疏醇性纳米涂层。
纳米涂层喷涂前的熔化情况，如图1所示。首先是组装所述装置，通过螺栓螺母将储热装置外壳和下端盖法兰连接，从上方倒入熔化后的液态相变材料，待相变材料凝固，再通过法兰连接外壳和上端盖。熔化开始阶段，换热管道里通入过热度30℃的热水，1-十四烷醇开始熔化。由于热量主要是从换热管道和翅片传出，所以靠近管翅部分的相变材料率先熔化。1-十四烷醇固相的密度要大于液相，固相原本应该在重力作用下慢慢下沉至翅片表面发生接触熔化。但因为热量较难传递到外壳壁面上，所以固相会牢牢粘附在上面阻碍了接触熔化的发生，降低了传热效率。
纳米涂层喷涂后的熔化情况，如图2所示。在喷涂了疏醇性的纳米涂层后，1-十四烷醇在壁面上的黏附力大大减小，可以顺利地沉降到翅片表面发生接触熔化，提高了传热效率。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，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 (4)

1.一种促进实现接触熔化的管壳式储热装置，其特征在于：所述的管壳式储热装置包括位于管壳式储热装置的储热装置外壳两端的端盖、储热装置外壳、换热管道、环形翅片；所述储热装置外壳的内壁面喷涂有一层纳米涂层；换热管道布置在储热装置外壳内部，所述储热装置外壳与换热管道的外壁面之间填充有相变材料；所述环形翅片设置在换热管道的外壁面上；融化状态的相变材料在纳米涂层上的接触角大于100°; 纳米涂层的形成方法为：使用气枪将纳米涂料喷涂至管壳式储热装置外壳的内壁面上，然后烘干，在内壁面上形成一层光滑的纳米涂层；其中，所述的纳米涂层与管壳式储热装置外壳的内壁面材料发生反应；
所述的相变材料为醇类相变材料、烷烃类相变材料和脂肪酸类相变材料；当相变材料为醇类相变材料时，所述的纳米涂层为疏醇性纳米涂层；当相变材料为烷烃类和脂肪酸类相变材料时，所述的纳米涂层为疏油性纳米涂层。
2.根据权利要求1所述的管壳式储热装置，其特征在于：所述的醇类相变材料为十四醇、赤藓糖醇；所述烷烃类相变材料为石蜡、十四烷、十八烷；所述脂肪酸类相变材料为月桂酸、肉豆蔻酸。
3.根据权利要求1所述的管壳式储热装置，其特征在于：所述的储热装置外壳的内壁面材料为金属材料或玻璃材料。
4.根据权利要求1所述的管壳式储热装置，其特征在于：端盖和储热装置外壳由螺栓螺母通过法兰结构连接，两者之间存在有密封作用的硅胶垫片。
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