CN115406289A - 相变蓄热器及具有其的蓄热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变蓄热器及具有其的蓄热装置，涉及热能存储技术领域，包括蓄热模块，所述蓄热模块内设置有若干的相变蓄热单元；定义第一列的所述通道为第一流体通道，第二列的所述通道为第二流体通道，所述第一流体通道与所述第二流体通道按照间隔顺序分布，所述第一流体通道、所述第二流体通道中流体的流动方向相反；所述蓄热模块前后侧作为端部，所述蓄热模块端部依次设置有均流器、汇流器、汇流端盖；所述汇流器混合腔上设置有输出管；所述汇入空腔连接有输入管；可以在不加大蓄热模块体积的前提下，延长了放热时间，提高了相变材料与流体的换热温差，提高了充/放热速率，提高温度均匀性。

Description

相变蓄热器及具有其的蓄热装置

技术领域

本发明涉及热能存储技术领域，尤其涉及一种相变蓄热器及具有其的蓄热装置。

背景技术

热能存储技术的应用很广，例如国内电力需要采用削峰填谷的办法缓解电网运行压力，即在用电的低谷期储存富余电能，在用电高峰时期释放并使用在生活生产中。此外，热能存储技术也是智能电网的常用且重要组成部分。

热能存储技术分为显热蓄热、潜热蓄热和热化学蓄热等。其中潜热蓄热技术使用相变材料(PCM)作为热能储存介质，利用PCM相变过程中从固体熔化到液体或从液体固化到固体时，实现储存或回收热能，与其它的蓄热技术相比具有自身的优势。但在实践中，当相变蓄热器放热时，会出现放热速度过快、水温升温慢、出口水温的调控方法单一等问题。而且相变蓄热器受相变材料限制，充热速度较慢。此外，在进行变蓄热量式蓄热时，通常需要以增减其相变储热单元来实现，这个过程操作繁琐，需要耗费大量时间。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种相变蓄热器及具有其的蓄热装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种相变蓄热器，包括蓄热模块，所述蓄热模块内设置有若干的相变蓄热单元，同一行的所述相变蓄热单元之间留有空间作为通道供流体通过，同一列的所述相变蓄热单元之间也留有空间作为通道供流体通过，所述通道顺着前后侧方向延伸；定义第一列的所述通道为第一流体通道，第二列的所述通道为第二流体通道，所述第一流体通道与所述第二流体通道按照间隔顺序分布，所述第一流体通道、所述第二流体通道中流体的流动方向相反；所述蓄热模块前后侧作为端部，所述蓄热模块端部依次设置有均流器、汇流器、汇流端盖；所述均流器上设置有均流孔用于引导所述通道内的流体均匀流出；所述汇流器上设置有汇流器混合腔和若干的汇流器内腔通道，所述汇流器内腔通道之间留有空隙作为汇流器外腔通道，所述汇流器混合腔上设置有输出管；所述汇流端盖内侧与所述汇流器外侧之间的空间作为汇入空腔与所述汇流器外腔通道连通，所述汇入空腔连接有输入管。

根据本发明所提供的相变蓄热器，通过采用蓄热模块内的相变蓄热单元配合流动方向相反的第一流体通道、第二流体通道设计，至少具有如下技术效果：可以在不加大蓄热模块体积的前提下，延长了放热时间，提高了相变材料与流体的换热温差，提高了充/放热速率，提高温度均匀性。

作为本发明的一些优选实施例，所述蓄热模块包括有保温外壳，所述保温外壳前后侧开口。

作为本发明的一些优选实施例，所述相变蓄热单元为波浪状。

作为本发明的一些优选实施例，所述相变蓄热单元、所述通道的截面为矩形状。

作为本发明的一些优选实施例，所述均流器为直线板状结构。

作为本发明的一些优选实施例，所述汇流器为“E”字状结构。

作为本发明的一些优选实施例，所述输出管与所述输入管之间设置有中接管。

根据本发明的第二方面实施例的一种蓄热装置，包括上述的相变蓄热器，至少具有如下技术效果：蓄热装置通过采用蓄热模块内的相变蓄热单元配合流动方向相反的第一流体通道、第二流体通道设计，至少具有如下技术效果：可以在不加大蓄热模块体积的前提下，延长了放热时间，提高了相变材料与流体的换热温差，提高了充/放热速率，提高温度均匀性。

作为本发明的一些优选实施例，各个所述相变蓄热器之间设置有并联接管，所述并联接管上设置集中管。

作为本发明的一些优选实施例，各个所述相变蓄热器之间设置有串联接管。

本发明的有益效果是：

1.新设计对每个相变蓄热单元以进行充/放热时，两个流道采用流向相反流动方式，延长了放热时间；

2.新设计对每个相变蓄热单元以进行充/放热时，两个流道采用流向相反流动方式，提高了相变材料与流体的换热温差，提高了充/放热速率，提高温度均匀性；

3.新设计将常规矩形相变蓄热单元进行规则弯曲，提升了流体通道内流体的紊乱程度，提高了充热流体与相变材料的换热率；

4.新设计将常规矩形相变蓄热单元进行规则弯曲，在有限区域内，较大程度的增大了充热流体与相变材料的换热面积，提高了充热流体与相变材料的换热率；

5.新设计每个相变蓄热单元布置四个流体通道，以包裹形式进行换热，相比于板式蓄热器，提高了换热流体与相变材料的换热面积；

6.新设计可以通过流程的数目来匹配不同的储热量。当储热量较少时，则关闭其中一个流体通道，对部分相变材料进行充热，提高了能量的利益效率；

7.新设计可以通过流程的数目来匹配不同的储热量，相比于通过增减相变蓄热单元的方式来改变蓄热量，新设计结构更简单，使用更方便。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过发明的实践了解到。

附图说明

本发明的附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一种相变蓄热器的立体图；

图2是本发明一种相变蓄热器的内部结构图；

图3是本发明一种相变蓄热器的结构分解图；

图4是本发明中图1的A-A剖视图；

图5是本发明中图1的B-B剖视图；

图6是本发明中相变蓄热单元的立体图；

图7是本发明中汇流器的立体图；

图8是本发明一种蓄热装置的立体图；

图9是本发明一种蓄热装置另一个实施方式的立体图；

图10是本发明一种蓄热装置另一个实施方式的立体图；

图11是本发明的验证计算程序框图；

图12是本发明与现有技术(常规技术)的出口水温变化对比图。

附图标记：

蓄热模块100、保温外壳110、相变蓄热单元120、第一流体通道130、第二流体通道140；

均流器200、均流孔201、前侧均流器210、后侧均流器220；

汇流器300、汇流器混合腔301、汇流器内腔通道302、汇流器外腔通道303、前侧汇流器310、后侧汇流器320；

汇流端盖400、汇入空腔401、前侧汇流端盖410、后侧汇流端盖420；

输出管500、前侧输出管510、后侧输出管520；输入管600、前侧输入管610、后侧输入管620、中接管700；并联接管800、集中管810、串联接管900。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。

在本发明的描述中，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

图1是本发明一个实施方式的立体图，参照图1，本发明的一个实施方式提供了一种相变蓄热器，包括蓄热模块100。参照图2、图3，蓄热模块100内设置有若干的相变蓄热单元120，同一行的相变蓄热单元120之间留有空间作为通道供流体通过，同一列的相变蓄热单元120之间也留有空间作为通道供流体通过，通道顺着前后侧方向延伸。

进一步的，参照图4、图5，定义第一列的通道为第一流体通道130，第二列的通道为第二流体通道140，第一流体通道130与第二流体通道140按照间隔顺序分布，第一流体通道130、第二流体通道140中流体的流动方向相反。

再进一步的，参照图3，蓄热模块100前后侧作为端部，蓄热模块100端部依次设置有均流器200、汇流器300、汇流端盖400。

再进一步的，均流器200上设置有均流孔201用于引导通道内的流体均匀流出。

再进一步的，汇流器300上设置有汇流器混合腔301和若干的汇流器内腔通道302，汇流器内腔通道302之间留有空隙作为汇流器外腔通道303，汇流器混合腔301上设置有输出管500。

再进一步的，汇流端盖400内侧与汇流器300外侧之间的空间作为汇入空腔401与汇流器外腔通道303连通，汇入空腔401连接有输入管600。

流道的流体从一侧的输入管600进入一侧的汇流端盖400内的汇入空腔401，然后依次经过一侧的汇流器300的汇流器外腔通道303、一侧的均流器200的均流孔201、第一流体通道130或第二流体通道140、另一侧的汇流器300的汇流器内腔通道302、另一侧的汇流器300的的汇流器内腔通道302，最后从另一侧的输出管500排出。

新技术的流体通道分为独立的至少两条通道，并假设第一流体通道130的流体从前侧向后侧流、第二流体通道140流体从后侧向前侧流：A.前侧的输入管600穿过前侧的汇流端盖400，经过前侧的汇流器300、汇流器外腔通道303、前侧的均流器200、第一流体通道130、后侧的汇流器300，以及后侧的汇流端盖400，直至从后侧的输出管500输出；B.后侧的输入管600穿过后侧的汇流端盖400、后侧的汇流器300、汇流器外腔通道303、后侧的均流器200、第二流体通道140、前侧的汇流器300，以及前侧的汇流端盖400，直至后侧的输出管500输出。

这种方式，每个蓄热模块100中相变蓄热单元120相邻流道有流向相同和流向相反的，显著提高了换热流体与相变材料的换热温差，避免了换热流体与相变材料在出口处温差小甚至无换热温差的换热恶化现象。

一些实施例，蓄热模块100包括有保温外壳110，保温外壳110前后侧开口。保温外壳110具有保温层，减少热量不必要的散失浪费。

可以想到的是，输出管500、输入管600分别至少一个开关阀门，通过应用场景的需求来控制相关阀门，以此，满足不同场景的需求。

一些实施例，蓄热模块100的前后侧端部，分别设置一组均流器200、汇流器300、汇流端盖400，即包括前侧均流器210、前侧汇流器310、前侧汇流端盖410，以及后侧均流器220、后侧汇流器320、后侧汇流端盖420。

当处于常规充/放模式时，换热流体在进入蓄热器前进行分流，第一个换热流体从前侧输出管510流进蓄热器，第二股换热流体从后侧输出管520流进。换热流体从前侧输出管510流进蓄热器穿过前侧汇流器310的汇流器外腔通道303(不进入前侧汇流器310的汇流器混合腔301、汇流器内腔通道302)、前侧均流器210、第一流体通道130、后侧汇流器320(进入后侧汇流器320的汇流器混合腔301、汇流器内腔通道302)，以及后侧汇流端盖420，从后侧输入管620流出；第二股换热流体经过后侧输出管520、后侧汇流器320的汇流器外腔通道303(不进入后侧汇流器320的汇流器混合腔301、汇流器内腔通道302)、后侧均流器220、第二流体通道140、前侧汇流器310(进入前侧汇流器310的汇流器混合腔301、汇流器内腔通道302)，以及前侧汇流端盖410，通过前侧输入管610流出。此过模式下，每个蓄热模块100中相变蓄热单元120相邻流道有流向相同和流向相反的，显著提高了换热流体与相变材料的换热温差，避免了换热流体与相变材料在出口处温差小甚至无换热温差的换热恶化现象。

一些实施例，蓄热模块100的前侧和/或后侧端部，可以分别设置多组均流器200、汇流器300、汇流端盖400。

当蓄热量较小时，若对整个蓄热器的相变材料进行充热，会出现充热完成后的相变材料温度达不到使用温度的现象。针对于这种现象，本专利可运行变蓄热量的充热模式，此处设置的第一流体通道数多于第二流体通道。此时，打开前侧输出管510，关闭后侧输入管620，充热流体从前侧输出管510流进蓄热器穿过前侧汇流端盖410、前侧汇流器310、汇流器外腔通道303、前侧均流器210、第一流体通道130、后侧汇流器320，以及后侧汇流端盖420，通过后侧输入管620流出。当蓄热量更小时，关闭前侧输出管510，打开后侧输入管620，则热流体从后侧的输入管流进热器穿过后侧汇流端盖420、后侧汇流器320、汇流器外腔通道303、后侧均流器220、第二流体通道140、前侧汇流器310，以及前侧汇流端盖410，通过前侧输出管510流出。

为了获得较高的出口水温，常规的放模式由于流程短，每个流体通道内流体流速小，使得蓄热器出口处换热流体的温升不高。本专利的变出口温水的放热模式能较好的解决此问题。换热流体从前侧输出管510流进蓄热器穿过前侧汇流端盖410、前侧汇流器310，汇流器外腔通道303、前侧均流器210、第一流体通道130、后侧汇流器320，以及后侧汇流端盖420，通过后侧汇流端盖420，从后侧输入管620流出；后侧输入管620与后侧输出管520通过连接管20和阀门19连接。充热流体从后侧的输入管流进热器穿过后侧汇流端盖420，后侧汇流器320，汇流器外腔通道303、后侧均流器220、第二流体通道140、前侧汇流器310，以及前侧汇流端盖410，从前侧输出管510流出。相比于常规模式，这种运行模式换热流体的分流数目少，每个流体通道内的换热流体流速更大，对流换热系数更大，且有更长的流程，换热流体在通道内与相变材料充分换热，提高换热流体的温度，从而获得更高的出口水温。

一些实施例，参照图6，相变蓄热单元120为波浪状，这种设计不但可以在有限区域内，较大程度的增大了充热流体与相变材料的换热面积，提高了充热流体与相变材料的换热率，也提升了流体通道内流体的紊乱程度，提高了充热流体与相变材料的换热率。

一些实施例，相变蓄热单元120、通道的截面为矩形状，设计以及加工均更方便。

一些实施例，均流器200为直线板状结构，安装较容易。

一些实施例，参照图7，汇流器300为“E”字状结构，即汇流器混合腔301和三个汇流器内腔通道302连一起，三个汇流器内腔通道302之间留有的两处空隙作为汇流器外腔通道303，安装较容易，而且保证各个方向水流不冲突。

一些实施例，输出管500与输入管600之间设置有中接管700，便于根据需要灵活调整水流线路。

一些实施例，为了证明此相变蓄热器相比于常规蓄热器在换热流体流向的设计上，有更好的优势，以下分别对常规蓄热器与本专利提出的相变蓄热器内的一个相变蓄热单元进行放热模拟，计算方式如图11所示：

1.给定参数，包括蓄热器结构参数、换热流体进口温度、换热流体和相变材料的初始温度以及物性参数；

2.设置蓄热器工作参数，包括充/放热时间T，相变蓄热器的长度C、蓄热器的宽度K、蓄热器的高度G；

3.设置时间步长dt，包括三个维度上的步长dx、dy、dz

4.根据公式

对相变材料节点进行三维瞬态导热微分方程求解，具体从上边界节点、中间节点、上边界节点三个方向，其中上边界节点有Case1相变材料上边界节点、Case2相变材料上边界节点、Case3相变材料上边界节点，中间节点有Case1相变材料中间节点、Case2相变材料中间节点、Case3相变材料中间节点，上边界节点包括有Case1相变材料上边界节点、Case2相变材料上边界节点、Cast3相变材料上边界节点；

5.对换热流体的节点进行对流-扩散微分方程求解；

6.判断节点是否计算完，未计算完则从步骤3开始继续计算；

7.判断是否达到设定时间，未达到设定时间则从步骤3开始继续计算。

相变蓄热单元120为矩形波浪状，在对其建模时，具有一定的难度。为了减少计算时间，模拟计算时将矩形波浪状的相变蓄热单元简化成与常规相变蓄热单元相同形状的矩形。常规相变蓄热单元的上下、左右四个通道的流体流向相同，本专利的相变蓄热单元上下通道的流体与左右两个个通道的流体流向相反。

一些实施例，为了对比本专利的相变蓄热器与常规蓄热器的放热时间，以下分别对常规蓄热器与本专利提出的相变蓄热器内的一个蓄热单元进行放热模拟，参照图12所示。模拟计算时将相变蓄热单元120简化成与矩形。常规蓄热单元的上下、左右四个通道的流向相同，本专利的相变蓄热单元120上下通道的流向与左右两个个通道的流向相反。

相变蓄热单元120的相变材料长宽高分别为10m、0.1m、0.1m，初始温度为75℃，质量流量为0.001kg/s，进口水温为35℃时，常规相变蓄热单元与本专利蓄热的出口水温随时间的变化规律。从图中可以看出，本专利的相变蓄热器放热时间更长。

一些实施例，一种蓄热装置，包括上述的相变蓄热器，针对于日常用户储热量需求不高的运行模式，对于大型工厂的余热回收，针对不同的需求可对多个上述的相变蓄热器进行连接。

一些实施例，参照图8，各个相变蓄热器之间设置有并联接管800，并联接管800上设置集中管810。当充热流体为高质量流量，高充热温度时，可将多个相变蓄热器，以并联的方式进行连接，如图8所示。充热流体进入蓄热器前进行均匀分流，分别流入每个蓄热器的前侧输出管510和后侧输入管620，依次从后侧输入管620和前侧输出管510流出，换热流体流出各个蓄热器的出口后进行汇流排出。由于高质量流量下，水侧的对流换热热阻对整体的影响较小。因此可采取此连接方式对蓄热器进行充热。

一些实施例，参照图9、图10，各个相变蓄热器之间设置有串联接管900。

本实施例中，可选的，参照图9，当充热流体为低质量流量，高充热温度时，可将多个相变蓄热器，以串联的方式进行连接，如图9所示。充热流体从第一个蓄热器的前侧输出管510和后侧输入管620流进，依次从后侧输入管620和前侧输出管510流出。打开后侧输出管520的开关阀门和后侧输入管620的开关阀门，并同时关闭中接管700的开关阀门。此时，第一个蓄热器的后侧输入管620和前侧输出管510，分别连接第二个蓄热器的前侧输出管510和后侧输入管620，依次连接。由于换热流体的质量流量小，换热流体侧的对流换热系数对整个蓄热器的充热速率影响大，因此可采取此连接方式对蓄热器进行充热。

本实施例中，可选的，参照图10，相变蓄热器进行放热，当需要不同温位的出口水温，可根据需求串联匹配相变蓄热器的数目，如图10所示。充热流体从前侧输出管510流进，后侧输入管620流出，关闭后侧输出管520的开关阀门和后侧输入管620的开关阀门，并同时打开中接管700(后侧输出管520与后侧输入管620之间的中接管700)的开关阀门。后侧输入管620的换热流体流出经过后侧输出管520与后侧输入管620之间的中接管700，流进后侧输入管620，从前侧输出管510流出。第一个蓄热器的前侧输出管510连接着第二个蓄热器的前侧输出管510，换热流体的路线与第一个蓄热器相同，根据出口换热流体温度的要求，来匹配蓄热器数目。

在本说明书的描述中，参考术语“一些实施例”或、“可以想到的是”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种相变蓄热器，其特征在于：包括蓄热模块(100)，所述蓄热模块(100)内设置有若干的相变蓄热单元(120)，同一行的所述相变蓄热单元(120)之间留有空间作为通道供流体通过，同一列的所述相变蓄热单元(120)之间也留有空间作为通道供流体通过，所述通道顺着前后侧方向延伸；

定义第一列的所述通道为第一流体通道(130)，第二列的所述通道为第二流体通道(140)，所述第一流体通道(130)与所述第二流体通道(140)按照间隔顺序分布，所述第一流体通道(130)、所述第二流体通道(140)中流体的流动方向相反；

所述蓄热模块(100)前后侧作为端部，所述蓄热模块(100)端部依次设置有均流器(200)、汇流器(300)、汇流端盖(400)；

所述均流器(200)上设置有均流孔(201)用于引导所述通道内的流体均匀流出；

所述汇流器(300)上设置有汇流器混合腔(301)和若干的汇流器内腔通道(302)，所述汇流器内腔通道(302)之间留有空隙作为汇流器外腔通道(303)，所述汇流器混合腔(301)上设置有输出管(500)；

所述汇流端盖(400)内侧与所述汇流器(300)外侧之间的空间作为汇入空腔(401)与所述汇流器外腔通道(303)连通，所述汇入空腔(401)连接有输入管(600)。

2.根据权利要求1所述的一种相变蓄热器，其特征在于：所述蓄热模块(100)包括有保温外壳(110)，所述保温外壳(110)前后侧开口。

3.根据权利要求1所述的一种相变蓄热器，其特征在于：所述相变蓄热单元(120)为波浪状。

4.根据权利要求1所述的一种相变蓄热器，其特征在于：所述相变蓄热单元(120)、所述通道的截面为矩形状。

5.根据权利要求1所述的一种相变蓄热器，其特征在于：所述均流器(200)为直线板状结构。

6.根据权利要求1所述的一种相变蓄热器，其特征在于：所述汇流器(300)为“E”字状结构。

7.根据权利要求1所述的一种相变蓄热器，其特征在于：所述输出管(500)与所述输入管(600)之间设置有中接管(700)。

8.一种蓄热装置，其特征在于，包括根据权利要求1至6中任一项所述的相变蓄热器。

9.根据权利要求8所述的一种蓄热装置，其特征在于：各个所述相变蓄热器之间设置有并联接管(800)，所述并联接管(800)上设置集中管(810)。

10.根据权利要求8所述的一种蓄热装置，其特征在于：各个所述相变蓄热器之间设置有串联接管(900)。

Images