CN115247893A - 一种电磁感应加热-储热-取热一体化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电磁感应加热‑储热‑取热一体化装置。该装置包括:多个串联或并联的加热‑储热‑取热一体化单元;加热‑储热‑取热一体化单元包括换热管道、换热翅片、罐体、保温层以及电磁感应线圈;换热管道的外壁焊接有换热翅片;换热翅片的外部贴合罐体的内壁;换热翅片的内部填充相变储热材料;罐体的外壁设有保温层;保温层的外部缠绕有电磁感应线圈;加热与储热时,电磁感应线圈在电磁感应作用下透过保温层对罐体进行加热,罐体的管壁受热,加热翅片,通过翅片将热量传递至相变储热材料;取热时,换热流体流过换热管道,与相变储热材料换热。本发明能够提高固相阶段相变材料加热融化速率。

Description

一种电磁感应加热-储热-取热一体化装置
技术领域
本发明涉及电磁感应加热领域,特别是涉及一种电磁感应加热-储热-取热一体化装置。
背景技术
“双碳”战略推动了光伏、风力等新能源发电的快速发展,新能源电力在能源终端利用中的比例将越来越高。工业、农业、建筑业等传统依靠燃烧煤炭或天然气等获取热水和蒸汽的方式将逐步被电制热所取代。为降低电能转化成热能的成本,利用风光弃电、低谷电产生热并将其储存起来是经济合理的手段。当前利用电力产生的热水和蒸汽的储存方式以水箱和压力容器为主。其中,由于水的储存温差较小,导致储存的水箱体积大、占地面积大;蒸汽储存由于蒸汽密度低、压力高,导致压力罐体积大、安全风险高,同时系统复杂,成本高。
中国专利CN112762615B发明一种用于熔盐加热的电阻型电加热器,该电加热器在加热器壳体内部设置往复排布的蛇型加热管,虽然可以增大内部熔盐的受热面积,但也增加了熔盐的流动阻力,电加热技术以电阻式为主,已在直接加热熔盐、水和产生蒸汽等方面得到很好应用,但电阻式加热仍存在电阻元件易于烧毁、可靠性不高等问题。中国专利CN113739243A发明了一种电磁感应蓄能设备,应用于室内采暖,以水作为储热介质,单位体积储热密度较小,设备占用建筑空间较大。中国专利CN215177150U公开了一种电磁加热熔融盐装置,利用电磁感应对液态的熔盐进行加热,可实现负荷灵活调节,并减小占地面积,但此装置熔盐侧融化无强化手段,当熔盐在凝固后再次启动加热时存在加热融化速率慢,系统启动响应时间长的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种电磁感应加热-储热-取热一体化装置,以解决固相阶段相变材料加热融化速率慢的问题。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种电磁感应加热-储热-取热一体化装置,包括:多个串联或并联的加热-储热-取热一体化单元;
所述加热-储热-取热一体化单元包括换热管道、换热翅片、罐体、保温层以及电磁感应线圈;
所述换热管道的外壁焊接有所述换热翅片;
所述换热翅片的外部贴合所述罐体的内壁;所述换热翅片的内部填充相变储热材料;
所述罐体的外壁设有所述保温层;所述保温层的外部缠绕有所述电磁感应线圈;
加热与储热时,所述电磁感应线圈在电磁感应作用下透过所述保温层对所述罐体进行加热,所述罐体的管壁受热,加热所述翅片,通过所述翅片将热量传递至所述相变储热材料;
取热时,换热流体流过所述换热管道,与所述相变储热材料换热。
可选的,所述电磁感应线圈的电磁感应加热频率为工频、中频或高频;
多个所述电磁感应线圈串联或者并联连接。
可选的,一个所述加热-储热-取热一体化单元内的所述换热管道为U型管或直通管;
多个所述换热管道串联连接或并联连接。
可选的,还包括:阀门;
当所述换热管道串联连接时,所述阀门包括一个,所述阀门连接串联后的第一个换热管道的入口;
当所述换热管道并联连接时,所述阀门包括多个,一个所述阀门连接一个所述换热管道的入口。
可选的,所述换热流体为水。
可选的,还包括水泵;
所述水泵与所述阀门相连接。
可选的,所述换热翅片为泡沫蜂窝多孔结构或直肋结构;
当所述换热翅片为泡沫蜂窝多孔结构时,所述泡沫蜂窝多孔结构的孔隙尺寸相同或不相同;多个所述孔隙的排布方式为均匀分布方式或非均匀分布方式。
可选的,所述罐体的形状为圆柱形,所述罐体的材质为含导磁性材料的金属。
可选的,所述相变储热材料为熔盐、石蜡、脂肪酸或糖醇类。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:本发明提供了一种电磁感应加热-储热-取热一体化装置,电磁感应加热实现对相变储热材料间接加热,解决传统电阻加热元件因高温烧毁更换的问题;同时,翅片强化相变储热材料侧换热,克服相变储热材料导热系数低的不足,提高加热功率,缩短相变储热材料融化时间,增加取热过程的取热功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,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为本发明所提供的U型管式的电磁感应加热-储热-取热一体化装置示意图;
图2为本发明所提供的U型管式的电磁感应加热-储热-取热一体化单元横截面示意图;
图3为本发明所提供的泡沫蜂窝多孔结构翅片示意图;
图4为本发明所提供的直通管式的电磁感应加热-储热-取热一体化装置示意图;
图5为本发明所提供的直通管式泡沫蜂窝多孔结构翅片的电磁感应加热-储热-取热一体化单元横截面示意图;
图6为本发明所提供的直通管式直肋翅片的电磁感应加热-储热-取热一体化单元横截面示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅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,本领域普通技术人员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。
本发明的目的是提供一种电磁感应加热-储热-取热一体化装置,能够提高固相阶段相变材料加热融化速率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
电磁感应加热技术由于具有响应快、温度易于控制、适合大功率加热等优点得到了广泛关注,在诸多产品得到了应用,是一种极具发展前景的电加热方式;熔盐是一种相变储热材料,具有密度大、储热温差大的优点,可利用其潜热和宽温度范围显热进行热量储存,以产生热水和蒸汽,这种方式可有效减小风光弃电浪费、消纳低谷电,同时,熔盐的高储热密度可大大降低储热装置的占地面积。因此,为充分利用熔盐的相变潜热和高储热温度,结合电磁感应加热优势,本发明提出了一种电磁感应加热-储热-取热一体化装置,实现高储热密度,快速加热、储热及放热,并低成本产生热水或者蒸汽。
图1为本发明所提供的U型管式的电磁感应加热-储热-取热一体化装置示意图,如图1所示,一种电磁感应加热-储热-取热一体化装置,包括:多个串联或并联的加热-储热-取热一体化单元;所述加热-储热-取热一体化单元包括换热管道3、换热翅片、罐体5、保温层6以及电磁感应线圈1;所述换热管道3的外壁焊接有所述换热翅片;所述换热翅片的外部贴合所述罐体5的内壁;所述换热翅片的内部填充相变储热材料4;所述罐体5的外壁设有所述保温层6;所述保温层6的外部缠绕有所述电磁感应线圈1;加热与储热时,所述电磁感应线圈1在电磁感应作用下透过所述保温层6对所述罐体5进行加热,所述罐体5的管壁受热,加热所述翅片,通过所述翅片将热量传递至所述相变储热材料4;取热时,换热流体2流过所述换热管道3,与所述相变储热材料4换热。
在实际应用中,加热-储热过程:电磁感应线圈1接通电源,高速变化的电流流过线圈产生变化的交变磁场,罐体5壁面切割交变磁力线而产生交变电流(即涡流),涡流使罐体5的载流子高速无规则运动,载流子互相碰撞、摩擦产生热能,罐体5被加热。然后,受热的罐体5径向向内传热,加热罐体5内壁表层的相变储热材料4与翅片,之后通过翅片导热形式将热量传递到内部各处的相变储热材料4,实现热量的储存。加热功率可根据电磁感应的电流、线圈的布置间距及缠绕长度进行调节改变。
取热过程:开启阀门9与水泵10,换热流体2水流过换热管道3,通过换热管道3焊接的翅片与高温相变材料进行热量交换,从装置取走热量,通过调节换热流体2水的流量来实现被加热成热水或者水蒸气。
在实际应用中,所述电磁感应线圈1的电磁感应加热频率为工频、中频或高频;多个所述电磁感应线圈1串联或者并联连接。
在实际应用中,一个所述加热-储热-取热一体化单元内的所述换热管道3为U型管或直通管;多个所述换热管道3串联连接或并联连接。换热管道3的连接方式可根据换热流体2被最终加热成的温度和状态进行调整。
加热-储热-取热一体化单元根据使用条件和场所需求进行串联或者并联连接,使用灵活性大。
在实际应用中,本发明还包括:阀门9;当所述换热管道3串联连接时,所述阀门9包括一个,所述阀门9连接串联后的第一个换热管道3的入口;当所述换热管道3并联连接时,所述阀门9包括多个,一个所述阀门9连接一个所述换热管道3的入口。
在实际应用中,所述换热流体2为水。
在实际应用中,本发明还包括水泵10;所述水泵10与所述阀门9相连接。
在实际应用中,所述换热翅片为泡沫蜂窝多孔结构翅片7或直肋结构翅片8;当所述换热翅片为泡沫蜂窝多孔结构翅片7时,所述泡沫蜂窝多孔结构翅片7的孔隙尺寸相同或不相同;多个所述孔隙的排布方式为均匀分布方式或非均匀分布方式。
U型管的焊接翅片为泡沫蜂窝多孔结构翅片7。
直通管的焊接翅片为泡沫蜂窝多孔结构翅片7或者直肋结构翅片8,翅片与罐体5内壁紧密贴合。
所述的翅片材质为不锈钢、碳化硅或者氮化硅。
在实际应用中,所述罐体5的形状为圆柱形,所述罐体5的材质为含导磁性材料的金属。具体的,材质为含导磁性材料的铁质、钴质或者镍质的不锈钢,铁质工作温度低于770℃,钴质工作温度低于1127℃,镍质工作温度低于354℃。
在实际应用中,所述相变储热材料4为熔盐、石蜡、脂肪酸或糖醇类。所述的相变储热材料4以熔盐为主,可以是二元熔盐(40%硝酸钾+60%硝酸钠)、三元熔盐(53%硝酸钾+40%亚硝酸钠+7%硝酸钠)或者其他熔盐,也可以是其他相变储热材料4,如石蜡、脂肪酸、或者糖醇类等。
以熔盐为相变储热材料4时,储热温差大,可同时利用相变潜热与显热储存,单位体积储热密度大。本发明中相变储热材料4、换热流体与电源加热端物理分离,安全性高,操作简单。
实施例1
基于图1,图2为本发明所提供的U型管式的电磁感应加热-储热-取热一体化单元横截面示意图,图3为本发明所提供的泡沫蜂窝多孔结构翅片示意图,该加热-储热-取热一体化装置包括若干个加热-储热-取热一体化单元,每个一体化单元包括电磁感应线圈1、换热流体2、U型换热管道3、相变储热材料4、罐体5、保温层6、泡沫蜂窝多孔结构翅片7、阀门9、水泵10。U型换热管道3放置在罐体5内部,其外壁焊接有泡沫蜂窝多孔结构翅片7。泡沫蜂窝多孔结构翅片7与罐体5的内壁面紧密贴合。罐体5内部填充相变储热材料4。罐体5外壁包裹有保温层6,保温层6外壁缠绕电磁感应线圈1。电磁感应线圈串联或者并联连接,加热频率可以是工频、中频或者高频。U型换热管道为串联或者并联连接,其连接方式根据换热流体被最终加热成的温度和状态调整。
相变储热材料以熔盐为主,可以是二元熔盐(40%硝酸钾+60%硝酸钠)、三元熔盐(53%硝酸钾+40%亚硝酸钠+7%硝酸钠)或者其他种类熔盐,也可以是其他相变储热材料,例如石蜡、脂肪酸或者糖醇类等。罐体形状为圆柱形,材质为含导磁性材料的铁质、钴质或者镍质的不锈钢,铁质工作温度不高于770℃,钴质工作温度不高于1127℃,镍质工作温度不高于354℃。泡沫蜂窝多孔结构翅片的孔隙尺寸大小均匀或者非均匀,其孔隙分布为均匀分布或者非均匀分布,翅片材质为不锈钢、碳化硅或者氮化硅。
加热-储热时,电磁感应线圈1通电,高速变化的电流流过线圈产生变化的交变磁场,导磁性罐体5切割交变磁力线产生交变电流,即涡流,然后涡流使罐体的载流子高速无规则运动,载流子互相碰撞、摩擦产生热能,罐体被加热。之后,被加热的罐体5沿着径向方向向内传递,加热罐体内壁表层的相变储热材料、与内壁贴合的泡沫蜂窝多孔结构翅片,通过泡沫蜂窝多孔结构翅片7把热量传递到内部各处的相变储热材料4,最后,相变材料4被泡沫蜂窝多孔结构翅片7加热,实现热能的储存。
取热时,开启阀门9与水泵10,换热流体2流过U型换热管道3,通过泡沫蜂窝多孔结构翅片7从相变储热材料4中吸取热量,被加热成热水或者蒸汽。水泵10具有变频功能,通过改变电流频率改变水泵转速进而改变流量。取热过程可通过水泵10调节换热流体2的流量获得不同的出口流体温度。
实施例2
图4为本发明所提供的直通管式的电磁感应加热-储热-取热一体化装置示意图,图5为本发明所提供的直通管式泡沫蜂窝多孔结构翅片的电磁感应加热-储热-取热一体化单元横截面示意图,如图4和图5所示,该加热-储热-取热一体化装置包括若干个加热-储热-取热一体化单元,每个一体化单元包括电磁感应线圈1、换热流体2、直通型换热管道3、相变储热材料4、罐体5、保温层6、泡沫蜂窝多孔结构翅片7、阀门9、水泵10。直通型换热管道3放置在罐体5内部,其外壁焊接有泡沫蜂窝多孔结构翅片7。泡沫蜂窝多孔结构翅片7与罐体5的内壁面紧密贴合。罐体5内部填充相变储热材料4。罐体5外壁包裹有保温层6,保温层6外壁缠绕电磁感应线圈1。电磁感应线圈连接方式及工作频率、直通型换热管道连接方式、相变储热材料种类、罐体形状及材质、泡沫蜂窝多孔结构翅片参数等均与实施例1相同。
加热-储热过程与实施例1相同。
取热时,开启阀门9与水泵10,换热流体2流过直通型换热管道3,通过泡沫蜂窝多孔结构翅片7从相变储热材料4中吸取热量,被加热成热水或者蒸汽。水泵10具有变频功能,通过改变电流频率改变水泵转速进而改变流量。取热过程可通过水泵10调节换热流体2的流量获得不同的出口流体温度。
实施例3
如图4和图6所示,图6为本发明所提供的直通管式直肋翅片的电磁感应加热-储热-取热一体化单元横截面示意图,该加热-储热-取热一体化装置包括若干个加热-储热-取热一体化单元,每个一体化单元包括电磁感应线圈1、换热流体2、直通型换热管道3、相变储热材料4、罐体5、保温层6、直肋翅片8、阀门9、水泵10。直通型换热管道3放置在罐体5内部,其外壁焊接有直肋翅片8。直肋翅片8与罐体5的内壁面紧密贴合。罐体5内部填充相变储热材料4。罐体5外壁包裹有保温层6,保温层6外壁缠绕电磁感应线圈1。直肋翅片8的结构翅片为直肋,材质为不锈钢、碳化硅或者氮化硅。电磁感应线圈连接方式及工作频率、直通型换热管道连接方式、相变储热材料种类、罐体形状及材质等均与实施例1相同。
加热-储热时,电磁感应线圈1通电,高速变化的电流流过线圈产生变化的交变磁场,导磁性罐体5切割交变磁力线产生交变电流,即涡流,然后涡流使罐体的载流子高速无规则运动,载流子互相碰撞、摩擦产生热能,罐体被加热。之后,被加热的罐体5沿着径向方向向内传递,加热罐体内壁表层的相变储热材料、与内壁贴合的直肋翅片,通过直肋翅片8把热量传递到内部各处的相变储热材料4,最后,相变材料4被直肋翅片8加热,实现热能的储存。
取热时,开启阀门9与水泵10,换热流体2流过直通型换热管道3,通过直肋翅片8从相变储热材料4中吸取热量,被加热成热水或者蒸汽。水泵10具有变频功能,通过改变电流频率改变水泵转速进而改变流量。取热过程可通过水泵10调节换热流体2的流量获得不同的出口流体温度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种电磁感应加热-储热-取热一体化装置,其特征在于,包括:多个串联或并联的加热-储热-取热一体化单元;
所述加热-储热-取热一体化单元包括换热管道、换热翅片、罐体、保温层以及电磁感应线圈;
所述换热管道的外壁焊接有所述换热翅片;
所述换热翅片的外部贴合所述罐体的内壁;所述换热翅片的内部填充相变储热材料;
所述罐体的外壁设有所述保温层;所述保温层的外部缠绕有所述电磁感应线圈;
加热与储热时,所述电磁感应线圈在电磁感应作用下透过所述保温层对所述罐体进行加热,所述罐体的管壁受热,加热所述翅片,通过所述翅片将热量传递至所述相变储热材料;
取热时,换热流体流过所述换热管道,与所述相变储热材料换热。
2.根据权利要求1所述的电磁感应加热-储热-取热一体化装置,其特征在于,所述电磁感应线圈的电磁感应加热频率为工频、中频或高频;
多个所述电磁感应线圈串联或者并联连接。
3.根据权利要求1所述的电磁感应加热-储热-取热一体化装置,其特征在于,一个所述加热-储热-取热一体化单元内的所述换热管道为U型管或直通管;
多个所述换热管道串联连接或并联连接。
4.根据权利要求3所述的电磁感应加热-储热-取热一体化装置,其特征在于,还包括:阀门;
当所述换热管道串联连接时,所述阀门包括一个,所述阀门连接串联后的第一个换热管道的入口;
当所述换热管道并联连接时,所述阀门包括多个,一个所述阀门连接一个所述换热管道的入口。
5.根据权利要求4所述的电磁感应加热-储热-取热一体化装置,其特征在于,所述换热流体为水。
6.根据权利要求5所述的电磁感应加热-储热-取热一体化装置,其特征在于,还包括水泵;
所述水泵与所述阀门相连接。
7.根据权利要求1-6任一项所述的电磁感应加热-储热-取热一体化装置,其特征在于,所述换热翅片为泡沫蜂窝多孔结构或直肋结构;
当所述换热翅片为泡沫蜂窝多孔结构时,所述泡沫蜂窝多孔结构的孔隙尺寸相同或不相同;多个所述孔隙的排布方式为均匀分布方式或非均匀分布方式。
8.根据权利要求7所述的电磁感应加热-储热-取热一体化装置,其特征在于,所述罐体的形状为圆柱形,所述罐体的材质为含导磁性材料的金属。
9.根据权利要求8所述的电磁感应加热-储热-取热一体化装置,其特征在于,所述相变储热材料为熔盐、石蜡、脂肪酸或糖醇类。
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