CN114909934A - 一种自适应型储热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应型储热器，包括保温外壳、中心换热管、功能翅片、相变材料以及换热流体，所述功能翅片配置于所述中心换热管四周，所述相变材料填充在所述保温外壳与中心换热管的空隙中，所述换热流体在所述中心换热管中流通以实现与所述相变材料之间的热交换，所述功能翅片包括径向段和圆周段，所述径向段为随温度变化具有自适应伸缩功能的伸缩段，所述圆周段设置在所述径向段的端部用于包裹固定所述相变材料。本发明基于超弹性形状记忆合金的自适应伸缩功能实现了半主动式蓄放热性能强化，突破了传统储热器在蓄热过程效率不断下降的弊端，既达到蓄热过程熔化速率长时间稳定在较高水平的目的，又实现了凝固放热性能的协同提升。

Description

一种自适应型储热器

技术领域

本发明属于储热强化领域，具体是一种自适应型储热器。

背景技术

由于大多数可再生能源均存在来源间断且强度不稳定的缺陷，亟需发展与之相匹配的储热技术以突破能源供需的时空不匹配制约。

储热技术主要可分为热化学储热、显热储热和潜热储热。其中，潜热储热技术由具有温度波动小、储热密度大以及性能稳定性好等优势得到了广泛关注。作为潜热储热技术的核心，潜热型储热器由于相变材料导热系数低下的本质缺陷，导致出现蓄热效率低下和热应力集中等致命缺陷，严重影响了潜热型储热器的传热性能和使用寿命。因而，亟需发展新一代潜热型储热器以提升能源系统的利用效率和清洁度。

需要注意的是，尽管学者们提出了许多潜热储热强化技术，但由于绝大多数均属于被动传热强化技术，其无法解决随固液相界面远离热源导致的热传递热阻增加和传热速率迅速下降的根本问题。为进一步提升蓄热性能，部分学者利用固态相变材料的重力促使热源附近的液态相变材料不断排出，从而形成传热效率更高的近距离接触熔化模式。然而，随着固态相变材料的不断减小，其重力将逐渐被浮升力抵消，无法维持长时间的稳定接触熔化模式，进而导致熔化后期传热速率迅速下降，限制了潜热储热技术的规模化利用潜力。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种维持半主动式长时间稳定接触熔化并激发凝固早期扰动对流的自适应型储热器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种自适应型储热器，包括保温外壳、中心换热管、功能翅片、相变材料以及换热流体，所述功能翅片配置于所述中心换热管四周，所述相变材料填充在所述保温外壳与中心换热管的空隙中，所述换热流体在所述中心换热管中流通以实现与所述相变材料之间的热交换，其特征在于：所述功能翅片包括径向段和圆周段；所述径向段为随温度变化具有自适应伸缩功能的伸缩段，所述圆周段设置在所述径向段的端部用于包裹固定所述相变材料；在蓄热过程中，所述功能翅片受热收缩产生向心力，推动固态的所述相变材料向所述中心换热管移动，使得所述相变材料与中心换热管之间维持接触熔化模式；在放热过程中，所述功能翅片冷却膨胀产生离心力，激发凝固早期液态的所述相变材料中形成扰动对流。

本发明在蓄热过程中，功能翅片加热收缩产生向心力，推动固态的相变材料向中心换热管移动，使得相变材料与中心换热管之间维持长时间稳定的半主动式接触熔化模式；在放热过程中，功能翅片冷却膨胀产生离心力，激发凝固早期液态的相变材料中形成扰动对流。基于这一工作机理，本发明突破了传统储热器在蓄热过程效率不断下降的弊端，既达到蓄热过程熔化速率长时间稳定在较高水平的目的，又实现了凝固放热性能的协同提升，为潜热型储热技术的规模化应用提供了一种行之有效的解决方案。

功能翅片采用超弹性形状记忆合金制成，当温度高于变态温度后，功能翅片会逐渐收缩，而当温度低于变态温度后，功能翅片会膨胀恢复至原来的形状。利用功能翅片这一随温度变化的自适应伸缩功能，能够实现自适应型储热器的蓄放热过程的交替循环利用。

功能翅片的横向截面采用“T”型构形，增大了功能翅片与相变材料的接触面积，不仅强化了所述功能翅片与相变材料的换热性能，而且有利于在蓄热过程推动固态的相变材料向中心换热管移动。同时，功能翅片的纵向高度需要低于相变材料的填充高度，以便于中心换热管附近熔融相变材料的排泄，从而实现蓄热过程中固态的相变材料与中心换热管的近距离接触熔化。

所述保温外壳的材质包含但不限于聚四氟乙烯、陶瓷、聚氨酯等。

所述换热流体包含但不限于水、乙醇、丙醇、制冷剂等。

所述中心换热管的材料包含但不限于铜、银、铝合金、不锈钢、金属合金。

所述相变材料包含但不限于水、烷烃、石蜡、醇类、脂肪酸、无机盐类。

需要说明的是，对于传统储热器而言，翅片配置仅仅只是为了增大其与相变材料的传热面积以达到强化换热的目标。在蓄热早期阶段，中心换热管附近的相变材料也是处于接触熔化模式，但随着蓄热过程推进，固液相界面逐渐远离中心换热管，且其与中心换热管之间的液态相变材料层不断增厚，形成了以对流熔化模式为主的相变传热机制，导致固态相变材料与中心换热管之间的传热热阻不断增加，进而在蓄热过程中出现传热速率不断下降的趋势。本发明提出了基于随温度变化具有自适应伸缩功能的超弹性形状记忆合金作为功能翅片，借助功能翅片蓄热过程加热收缩时产生的向心力推动固态相变材料靠近中心换热管，及时排挤出两者之间的液态相变材料，从而维持长时间的稳定近距离接触熔化模式。综上所述，本发明采用半主动式传热强化技术在储热领域实现由传热速率更高的接触熔化模式替代常规对流熔化主导模式的转变，突破现有储热器中接触熔化模式难以长时间稳定维持的制约，使得潜热型储热器蓄热过程能够保持长时间、高稳定、高水平的蓄热速率，而且，功能翅片在放热过程由于冷却膨胀逐步恢复至原形的内在驱动力激发了凝固早期液态相变材料中的扰动对流，促进了凝固传热性能的协同提升，进而为潜热储热技术的规模化应用提供了一种行之有效的解决方案。

有益效果

本发明自适应型储热器中的功能翅片，利用随温度变化的自适应伸缩功能，实现了蓄热过程维持半主动式长时间稳定接触熔化以及放热过程激发凝固早期扰动对流强化换热的功能。在蓄热过程，功能翅片加热收缩产生向心力，推动固态相变材料向中心换热管移动，及时排出熔化前沿的液态相变材料，使得相变材料与中心换热管之间维持半主动式接触熔化，从而减小了热源与相变材料之间的热传递热阻，实现了蓄热过程传热效率长时间稳定在较高水平的目的；在放热过程，功能翅片冷却膨胀产生离心力，激发凝固早期液态相变材料区域中的扰动对流，从而延长了对流换热的作用时间，有利于提升凝固传热速率和温度均匀性水平。基于本发明的这一创新设计理念，突破了传统储热器在蓄热过程效率不断下降的弊端，既达到蓄热过程熔化速率长时间稳定在较高水平的目的，又实现了凝固放热性能的协同提升，为潜热型储热技术的规模化应用提供了一种行之有效的解决方案。

附图说明

图1 自适应型储热器的示意图；

图2 功能翅片的示意图，其中：（2a）低于变态温度的最终形态，（2b）高于变态温度的最终形态；

图3 自适应型储热器熔化进行前的示意图，其中：（3a）纵向剖面图，（3b）横向剖面图

图4 自适应型储热器熔化进行后的示意图，其中：（4a）纵向剖面图，（4b）横向剖面图

图中，1. 保温外壳；2. 中心换热管；3. 功能翅片；4. 相变材料；5. 换热流体；6.径向段；7. 圆周段；8. 熔化前沿；9. 向心力；10. 液态相变材料流向；11. 液态对流区。

具体实施方式

下面结合附图说明进行更进一步的详细说明：

图1为自适应型储热器的示意图，包括保温外壳1、中心换热管2、功能翅片3、相变材料4以及换热流体5。其中，功能翅片3均匀地配置于中心换热管2四周，且功能翅片3在中心换热管2上的配置方式可以是焊接或其它固定方式。相变材料4填充在保温外壳1与中心换热管2之间的空隙中，换热流体5在中心换热管2中进行流通，并通过与相变材料4之间热交换实现储热器热量的存储与释放。需要注意的是，功能翅片3的纵向高度需要低于相变材料4的填充高度，以便于中心换热管2附近熔融状态相变材料的排泄，从而实现蓄热过程中固态的相变材料4与中心换热管2之间维持近距离接触熔化模式。

图2为功能翅片的示意图，它采用超弹性形状记忆合金制成，可以分为径向段6和圆周段7。径向段6为随温度变化具有自适应伸缩功能的伸缩段，圆周段7设置在径向段6的端部用于包裹固定相变材料4。蓄热过程中，功能翅片3会受热收缩，并由图2a所示的低于变态温度的最终形态演变为图2b所示的高于变态温度的最终形态；在放热过程中，功能翅片3会冷却膨胀，并由图2b所示的高于变态温度的最终形态恢复至图2a所示的低于变态温度的最终形态。基于功能翅片这一随温度变化的自适应伸缩功能，能够实现自适应型储热器的蓄放热过程交替循环利用。除此之外，功能翅片3的横向截面采用“T”型构形以增大其与相变材料4的接触面积，不仅强化了两者之间的换热性能，而且有利于在蓄热过程驱动固态的相变材料4向中心换热管2移动以实现半主动式长时间稳定的接触熔化。

图3为自适应型储热器熔化进行前的示意图。当蓄热过程开始前，此时相变材料4处于完全固态（见图3a），4个功能翅片3均匀分布在自适应型储热器中，功能翅片3为低于变态温度的最终形态（见图3b），且功能翅片3的圆周段7直接接触固态的相变材料4外围以起到包裹固定效果。

图4为自适应型储热器熔化进行后的示意图。当蓄热过程开始后，高于功能翅片3变态温度的换热流体5给中心换热管2加热，使得中心换热管2附近的相变材料4熔化为液态，形成熔化前沿8；同时，功能翅片3在加热收缩后会产生向心力9，迫使固态的相变材料4向中心换热管2移动，并将熔化前沿8中熔融相变材料沿着液态相变材料流向10经储热器上方空隙排挤到液相对流区11，如图4a所示。基于这一半主动式接触熔化强化机制，能够使相变材料4与中心换热管2之间长时间维持稳定的近距离接触熔化模式（见图4b），从而减小了换热流体5与相变材料4之间的热传递热阻，实现了蓄热过程传热效率长时间稳定在较高水平的目的。

需要说明的是，本发明提出的自适应型储热器与传统储热器相比，在工作原理上具有较为突出的创新。

对于传统储热器而言，翅片配置仅仅只是为了增大其与相变材料的传热面积以达到强化换热的目标。在蓄热早期阶段，中心换热管附近的相变材料也是处于接触熔化模式，但随着蓄热过程推进，固液相界面逐渐远离中心换热管，且其与中心换热管之间的液态相变材料层不断增厚，形成了以对流熔化模式为主的相变传热机制，导致固态相变材料与中心换热管之间的传热热阻不断增加，进而在蓄热过程中出现传热速率不断下降的趋势。

本发明提出的自适应型储热器采用了基于随温度变化具有自适应伸缩功能的超弹性形状记忆合金作为功能翅片，借助功能翅片蓄热过程加热收缩时产生的向心力推动固态相变材料靠近中心换热管，并且及时排挤出两者之间的液态相变材料，实现了相变传热机制由对流熔化模式为主导向传热效率更高的接触熔化为主导模式的转变，并且通过半主动式传热强化技术突破了现有储热器中接触熔化模式难以长时间稳定维持的制约，使得潜热型储热器蓄热过程能够保持长时间、高稳定、高水平的蓄热速率，而且，功能翅片在放热过程冷却膨胀逐步恢复至原形并激发凝固早期液态相变材料中的扰动对流，促进了凝固传热性能的协同提升，进而为潜热储热技术的规模化应用提供了一种行之有效的解决方案。

Claims (8)

1.一种自适应型储热器，包括保温外壳、中心换热管、功能翅片、相变材料以及换热流体，所述功能翅片配置于所述中心换热管四周，所述相变材料填充在所述保温外壳与中心换热管的空隙中，所述换热流体在所述中心换热管中流通以实现与所述相变材料之间的热交换，其特征在于：所述功能翅片包括径向段和圆周段；所述径向段为随温度变化具有自适应伸缩功能的伸缩段，所述圆周段设置在所述径向段的端部用于包裹固定所述相变材料；在蓄热过程中，所述功能翅片受热收缩产生向心力，推动固态的所述相变材料向所述中心换热管移动，使得所述相变材料与中心换热管之间维持接触熔化模式；在放热过程中，所述功能翅片冷却膨胀产生离心力，激发凝固早期液态的所述相变材料中形成扰动对流。

2.根据权利要求1所述的自适应型储热器，其特征在于：所述功能翅片采用形状记忆合金制成，当温度高于变态温度后，所述功能翅片会逐渐收缩，而当温度低于变态温度后，所述功能翅片会膨胀恢复至原来的形状。

3.根据权利要求1所述的自适应型储热器，其特征在于：所述功能翅片的纵向高度低于所述相变材料的填充高度，便于所述中心换热管附近熔融相变材料的排泄。

4.根据权利要求1所述的自适应型储热器，其特征在于：所述相变材料的高度小于保温外壳内部的高度，从而在保温外壳内部上端形成固态相变材料转变成液态后的流动通道。

5.根据权利要求1所述的自适应型储热器，其特征在于：所述保温外壳的材质包含但不限于聚四氟乙烯、陶瓷、聚氨酯等。

6.根据权利要求1所述的自适应型储热器，其特征在于：所述换热流体包含但不限于水、乙醇、丙醇、制冷剂等。

7.根据权利要求1所述的自适应型储热器，其特征在于：所述中心换热管的材料包含但不限于铜、银、铝合金、不锈钢、金属合金。

8.根据权利要求1所述的自适应型储热器，其特征在于：所述相变材料包含但不限于水、烷烃、石蜡、醇类、脂肪酸、无机盐类。

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