CN115451745A - 一种回转式蓄热器、间歇性热源高效蓄热系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回转式蓄热器、间歇性热源高效蓄热系统及方法，所述回转式蓄热器包括由外向内依次设置外壳、旋转筒和内管，所述外壳和旋转筒之间为热水空间，旋转筒与内管之间为相变材料空间，内管内为冷水空间；外壳和内管固定，旋转筒内设有金属片贴近内管外壁，所述金属片随旋转筒旋转；本发明采用旋转式结构和金属片配合，达到高效的能量转化效果，解决能量供应间歇性的同时高效的利用能量。离心式结构使相变材料与传热面紧密接触，降低传热热阻对能量转化的阻碍，进一步提高转化效率充分发挥相变材料自身的特点，解决间歇性热源与用热负荷不匹配的问题。

Description

一种回转式蓄热器、间歇性热源高效蓄热系统及方法

技术领域

本发明涉及相变蓄热技术领域，具体涉及一种回转式蓄热器及间歇性热源高效蓄热系统。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

目前，储能设备为整体能源网络带来功率和能源缓冲，将成为未来能源系统的枢纽，而在各类储能系统中储热是最经济的。相变材料因其高储热密度、稳定性、热可靠性和经济易得作为储热单元被广泛应于在各领域中。与其他储热技术相比，潜热蓄热成本更低、寿命更长，操作更简单成为热量回收的最佳选择。相变材料(PCM)在蓄热设备中有多变的应用形式，能匹配复杂的蓄热场所。

以相变材料作为储能材料是简化系统的关键方法之一，因此可以期待进一步降低成本。然而发明人发现，相变材料在散热期间会在传热壁上固化，传热热阻随固化相变材料层厚度而急剧增加。随着凝固层厚度的增加，传热特性下降，如果在传热表面上仅生长1mm的凝固层，则传热性能将下降66％。这一现象极大影响了蓄热系统的释放热循环周期，成为系统循环周期进程的短板。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种回转式蓄热器及间歇性热源高效蓄热系统，能够防止相变材料在传热壁上固化，减小传热热阻，进而降低传热热阻对能量转化的阻碍，进一步提高转化效率。

本发明的技术方案如下：

在本发明的第一方面，提供了一种回转式蓄热器，包括由外向内依次设置外壳、旋转筒和内管，所述外壳和旋转筒之间为热水空间，旋转筒与内管之间为相变材料空间，内管内为冷水空间；外壳和内管固定，旋转筒内设有金属片贴近内管外壁，所述金属片随旋转筒旋转。

在本发明的一些实施方式中，所述旋转筒的上下安装有第一旋转接头，所述外壳的上下安装有第二旋转接头。

在本发明的一些实施方式中，所述金属片固定安装在旋转筒的第一旋转接头上，所述金属片与内管外壁的距离为0-0.5mm。

在本发明的一些实施方式中，所述外壳的上部设置热水出口，外壳的下部设置热水入口，热水入口和热水出口位于同一侧。

在本发明的一些实施方式中，所述内管的下端为冷水入口，内管的上端为冷水出口。

在本发明的一些实施方式中，所述外壳、旋转筒和内管采用同心套管式结构。

在本发明的一些实施方式中，所述相变材料空间内设置复合相变材料，所述复合相变材料组成为：纳米氮化铝0.4wt％-1wt％，泡沫铜1wt％-4wt％，去离子水0.5wt％-2wt％，余量为三水醋酸钠。

在本发明的第二方面，提供了一种间歇性热源高效蓄热系统，包括回转式蓄热器，所述回转式蓄热器的热水入口和热水出口与间歇性热源连接，冷水入口与自来水管连接，冷水出口与缓冲罐连接，所述缓冲罐与用热末端连接。

在本发明的一些实时方式中，所述缓冲罐上设置电容式液位计。

在本发明的第三方面，提供了一种间歇性热源高效蓄热方法，包括以下步骤：

间歇性热源产生的热水从热水入口流进蓄热器外壳与旋转筒之间的热水空间，旋转筒的转动带动热水旋转上升，热水与相变材料进行换热，最后从蓄热器侧面顶部的热水出口流回间歇性热源处循环使用；

冷水从蓄热器底部的冷水入口进入蓄热器内管，在内管中充分吸收相变材料的热量，随后流出蓄热器，进入缓冲罐中，被用热末端消耗使用。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

1)本发明提出一种新式结构的回转式蓄热器，利用相变材料的相变潜热储存间歇热量，并将热量转化为水的热能。采用旋转式结构和金属片配合，达到高效的能量转化效果，解决能量供应间歇性的同时高效的利用能量。离心式结构使相变材料与传热面紧密接触，降低传热热阻对能量转化的阻碍，进一步提高转化效率充分发挥相变材料自身的特点，解决间歇性热源与用热负荷不匹配的问题。

2)本发明提出在回转式蓄热器中设置随旋转筒转动的金属片，连续刮削内管表面固化的相变材料，增强对相变材料的扰动，阻止了固化相变材料高热阻的影响。达到抑制相变材料过冷度和相分离的作用，并提高对流换热系数使高导热纳米材料分布更均匀。

3)本发明巧妙利用离心力分离固态和液态的相变材料，使其固态相变材料集中在吸热面，而液态相变材料集中在放热面，达到最高效的能量转化。

4)本发明的回转式蓄热器将外壳和旋转筒体之间的空间作为热水空间，热水空间中的热水在旋转筒带动下旋转上升，有效延长了在蓄热器中的流动路径并提高了对流换热系数。

5)本发明的间歇性热源高效蓄热系统中设置缓冲罐和电容液位计，智能控制冷水的输入，符合智能化与安全化的标准。

附图说明

图1为本发明的间歇性热源高效蓄热系统结构布置示意图；

图2为本发明的回转式蓄热器结构分解示意图。

图中：1、间歇性热源；2、热水出口；3、热水入口；4、冷水出口；5、第一旋转接头；6、第二旋转接头；7、冷水入口；8、相变材料空间；9、热水空间；10、缓冲罐；11、用热末端；12、电动机；13、电容式液位计；14、内管；15、金属片；16、旋转轴；17、回转式蓄热器；18、固定部分；19、转动部分；20、外壳；21、旋转筒。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅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设备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。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，提出了一种回转式蓄热器，如图1和图2所示，回转式蓄热器17包括固定部分18和转动部分19，其中，固定部分包括内管14和外壳20，固定部分为旋转筒21；外壳20、旋转筒21和内管14，从内向外依次设置，采用同心套管式结构；所述外壳20和旋转筒21之间形成热水空间9，旋转筒21与内管14之间形成相变材料空间8，内管14内为冷水空间，即流经冷水；旋转筒21内设有金属片15贴近内管14外壁，所述金属片15随旋转筒21旋转。

外壳20整体为圆筒形状，其外部被保温材料覆盖，减少热水箱外部环境散热，外壳的上端和下端设置有第二旋转接头6，用于实现外壳固定旋转筒21旋转；所述外壳20的上部设置热水出口4，外壳的下部设置热水入口3，热水入口和热水出口位于同一侧，可减小设备的占地面积，并且在旋转筒21的带动下，热水旋转上升，有效提高对流换热系数和延长流动的路程，使热水与蓄热器充分高效的换热。

旋转筒21的上端和下端设置有第一旋转接头5，用于实现旋转筒21旋转内管14固定，因此，回转式蓄热器17共用4个旋转接头，共同实现旋转筒21转动时内管14和外壳20固定不动的结构；旋转筒21在电动机12的作用下实现旋转，电动机12采用小功率能够带动旋转部分转动即可，旋转部分转速不必太高，转速保持在10r/min-15r/min即可，只要能产生离心力把固体相变材料离心到旋转筒壁面，即满足要求。

金属片15固定在旋转筒21顶部和底部的旋转接头上，即第一旋转接头5上，金属片15随旋转筒21旋转绕旋转轴16旋转，所述旋转轴16即为旋转筒21的中心轴。金属片15边缘尽量贴近内管14外壁，距离要尽量小于0.5mm，这样才能最大程度去除固化的相变材料层，达到最好的传热增强效果。此外，金属片15可以直接采用矩形金属片，也可采用流动阻力小但扰动增强效果强的形状，如采用半个圆筒的形状，填补金属片15后侧的低压区，在内管表面打一些凹坑，产生湍流延缓流动分离并减小压差阻力。金属片15宽度不宜设置过宽，会增大发动机能耗。

内管14的下端为冷水入口7，上端为冷水出口，在本实施例种，把热水入口和冷水入口布置在回转式蓄热器下部，延长传热流体在蓄热器内的停留时间，使其充分换热。

相变材料空间8内设置复合相变材料，所述复合相变材料组成为：纳米氮化铝0.4wt％-1wt％，泡沫铜1wt％-4wt％，去离子水0.5wt％-2wt％，余量为三水醋酸钠。

回转式蓄热器的工作原理为：

回转式蓄热器17正常工作时，由发动机12带动旋转筒21绕旋转轴16转动。热水将热量传递给相变材料，然后相变材料在内管14表面凝固把热量传递给内管14中的冷水。金属片15随着旋转筒转动而绕着内管14转动，金属片15边缘贴近内管14外壁，将固化的相变材料从内管14表面刮削掉，从而实现一个高效的放热过程。固态相变材料在离心力的作用下，移动到旋转筒19外壁并贴近壁面，吸收热量直到融化。

本实施例提供的回转式蓄热器，在旋转和金属片的作用下，相变材料内部时刻处于扰动状态，且在离心压力的挤压下总的传热系数会明显增大。在扰动作用下能明显抑制相变材料的过冷度和相分离，且使高导热纳米材料更均匀的分散在相变材料中，有效提高蓄热器的对流换热系数。

实施例2

本发明的一种典型的实施方式中，提供了一种间歇性热源高效蓄热系统，如图1所示，包括实施例1所述的回转式蓄热器17，回转式蓄热器的热水进口和热水出口与间歇性热源1连接，冷水入口与自来水管连接，冷水出口与缓冲罐10连接，所述缓冲罐10与用热末端11连接。

进一步地，所述缓冲罐10上设置电容式液位计13，用于实时检测缓冲罐液位。

间歇性热源1可以为任何能量供应不连续的能源，本实施例以太阳能为例，进行蓄热时，水在太阳能中吸收热量变为热水，然后进入回转式蓄热器中与相变材料进行换热，相变材料对热量进行储存；放热时，冷水通过内管14进入回转式蓄热器的内部，相变材料与冷水进行换热，冷水被加热为热水进入缓冲罐10中，缓冲罐向用热末端11提供热水，所述用热末端可以有多种，可为生活用热或工艺用热。

在具体应用时要合理调整负荷，以太阳能为例，到晚上没能量输入时，回转式蓄热器内存储的热量要远大于夜间的负荷，不能让相变材料完全固化。

实施例3

本发明的一种典型的实施方式中，提供了一种间歇性热源高效蓄热方法，包括以下步骤：

间歇性热源1(以太阳能为例)产生热水，从热水入口3流进蓄热器外壳与旋转筒19之间的热水空间9，旋转筒19的转动带动热水旋转上升，提高对流换热系数并延长热水的流动路程，从而充分高效的与蓄热器换热，最后从蓄热器侧面顶部的热水出口2流回间歇性热源1处循环使用。

冷水从蓄热器底部的冷水入口7进入蓄热器的内管14，在内管14中充分吸收蓄热器的热量，随后流出蓄热器，进入缓冲罐10中，被用热末端11消耗使用；当电容式液位计13监测到缓冲罐10中水位低于1/3时，传输电信号再次打开冷水开关。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种回转式蓄热器，其特征在于，包括由外向内依次设置外壳、旋转筒和内管，所述外壳和旋转筒之间为热水空间，旋转筒与内管之间为相变材料空间，内管内为冷水空间；外壳和内管固定，旋转筒内设有金属片贴近内管外壁，所述金属片随旋转筒旋转。

2.如权利要求1所述的回转式蓄热器，其特征在于，所述旋转筒的上下安装有第一旋转接头，所述外壳的上下安装有第二旋转接头。

3.如权利要求2所述的回转式蓄热器，其特征在于，所述金属片固定安装在旋转筒的第一旋转接头上，所述金属片与内管外壁的距离为0-0.5mm。

4.如权利要求1所述的回转式蓄热器，其特征在于，所述外壳的上部设置热水出口，外壳的下部设置热水入口，热水入口和热水出口位于同一侧。

5.如权利要求1所述的回转式蓄热器，其特征在于，所述内管的下端为冷水入口，内管的上端为冷水出口。

6.如权利要求1所述的回转式蓄热器，其特征在于，所述外壳、旋转筒和内管采用同心套管式结构。

7.如权利要求1所述的回转式蓄热器，其特征在于，所述相变材料空间内设置复合相变材料，所述复合相变材料组成为：纳米氮化铝0.4wt％-1wt％，泡沫铜1wt％-4wt％，去离子水0.5wt％-2wt％，余量为三水醋酸钠。

8.一种间歇性热源高效蓄热系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的回转式蓄热器，所述回转式蓄热器的热水入口和热水出口与间歇性热源连接，冷水入口与自来水管连接，冷水出口与缓冲罐连接，所述缓冲罐与用热末端连接。

9.如权利要求8所述的间歇性热源高效蓄热系统，其特征在于，所述缓冲罐上设置电容式液位计。

10.一种间歇性热源高效蓄热方法，采用如权利要求9所述的间歇性热源高效蓄热系统来实现，其特征在于，包括以下步骤：

间歇性热源产生的热水从热水入口流进蓄热器外壳与旋转筒之间的热水空间，旋转筒的转动带动热水旋转上升，热水与相变材料进行换热，最后从蓄热器侧面顶部的热水出口流回间歇性热源处循环使用；

冷水从蓄热器底部的冷水入口进入蓄热器内管，在内管中充分吸收相变材料的热量，随后流出蓄热器，进入缓冲罐中，被用热末端消耗使用。

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