CN115615227A - 一种合欢花粉形高效相变储热球 - Google Patents

一种合欢花粉形高效相变储热球 Download PDF

Info

Publication number
CN115615227A
CN115615227A CN202210810717.7A CN202210810717A CN115615227A CN 115615227 A CN115615227 A CN 115615227A CN 202210810717 A CN202210810717 A CN 202210810717A CN 115615227 A CN115615227 A CN 115615227A
Authority
CN
China
Prior art keywords
phase
heat storage
fin structure
change
fin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210810717.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115615227B (zh
Inventor
刘向雷
姚海沉
宣益民
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Original Assignee
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics filed Critical Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority to CN202210810717.7A priority Critical patent/CN115615227B/zh
Publication of CN115615227A publication Critical patent/CN115615227A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115615227B publication Critical patent/CN115615227B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
    • F28D20/021—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat the latent heat storage material and the heat-exchanging means being enclosed in one container
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Agricultural Chemicals And Associated Chemicals (AREA)

Abstract

本发明公开了一种合欢花粉形高效相变储热球，涉及相变储热技术领域，特别涉及一种合欢花粉形高效相变储热球。以实现快速潜热储热，为基于花粉仿生储能单元的高性能储能堆积床系统的设计开辟了新的途径。本发明的技术方案为：所述相变储热球包括翅片结构、封装在翅片结构外的球形的导热封装外壳以及填充在翅片结构中的相变材料；所述翅片结构呈由多个六边形结构以及多个五边形结构组成的放射球状，并且在一个球面上具有30个六边形和12个五边形；所述翅片结构的球心处呈中空状。与传统的柱形翅片球，环形翅片球或平板形翅片球相比，合欢花粉形高效相变储热球的蓄热速率明显提高。

Description

一种合欢花粉形高效相变储热球
技术领域
本发明涉及相变储热技术领域，特别涉及一种合欢花粉形高效相变储热球。
背景技术
储能技术由于能够弥合能源的间歇性供应和持续性需求之间的差距，受到了研究者的高度关注。储能系统通常以显热、潜热和化学热的形式储存能量。其中，以相变材料为存储介质的潜热储能因其能量密度高、工作温度恒定而脱颖而出。因此，潜热储能系统被广泛应用于太阳能热收集、建筑节能、余热回收、空调制冷、电子元器件冷却、纺织产品等各个领域。
在大多数情况下，需要封装相变材料从而隔绝周围流体。与其他形状相比，球形储热单元由于其在三维空间中的无方向性而被认为是最简单和应用最广泛的排列形式。然而，球形储热单元的表面积与体积之比小，热阻大，阻碍了其快速储热，限制了其快速发展。
近年来，仿生学已被用于改善储热单元的性能。然而，大多数研究主要集中于对储热单元的外形进行仿生优化，而对球形储热单元内翅片结构的仿生优化研究鲜有报道。因此，如何对相变储热球内部结构进行优化，以降低球体结构本身的热阻，提升其换热效率就成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对以上问题，提出了一种合欢花粉形高效相变储热球，以实现快速潜热储热，为基于花粉仿生储能单元的高性能储能堆积床系统的设计开辟了新的途径；与传统的柱形翅片球，环形翅片球或平板形翅片球相比，合欢花粉形高效相变储热球的蓄热速率明显提高。
本发明的技术方案为：所述相变储热球包括翅片结构1、封装在翅片结构1外的球形的导热封装外壳2以及填充在翅片结构1中的相变材料3；
所述翅片结构1呈由多个六边形结构以及多个五边形结构组成的放射球状，并且在一个球面上具有30个六边形和12个五边形；六边形结构以及多个五边形结构的边长，即翅片的壁宽均为W，六边形结构以及多个五边形结构的壁厚均为δ；
换言之，所述球内翅片结构1整体呈现合欢花粉外壁形状，并与导热封装外壳2以及填充于球内部的相变材料3共同组成仿生高效相变储热球；
在翅片结构1与导热封装外壳2内壁的多道连接处，二者相垂直；
所述翅片结构1的球心处呈中空状，翅片结构1外边缘所处球面的半径为R，翅片结构1外边缘所处球面与内边缘所处球面之间的间距，即翅片的长度为L，翅片的长度L与半径R之比为5/6；翅片的壁宽W、壁厚δ与半径R之比分别为W/R=0.35、δ/R=0.04。
进一步的，所述翅片1采用不锈钢，铝，铜等金属或者碳化硅，氮化铝等陶瓷制成；所述导热封装外壳2采用PVC或POF热收缩膜制成；所述相变材料3采用石蜡、赤藓糖醇、醋酸等有机相变材料，结晶水合盐、熔融盐等无机相变材料或复合相变材料等固液相变材料制成。
进一步的，所述翅片1采用选择性激光熔化成型，选择性激光烧结，光固化等3D打印或者使用模具浇筑而成。
进一步的，所述导热封装外壳2由弹性材料制成，从而具有一定的弹性。
进一步的，所述相变材料3采用真空浸渍法填充于翅片1间隙中。
进一步的，所述导热封装外壳2封装时，相变材料3为固态，且未完全填充整个球体；当相变材料3融化膨胀时刚好形成完整的球形状态；导热封装外壳2始终与翅片以及相变材料紧密贴合；封装后在接缝处涂上密封胶密封。
本发明的有益效果为：本发明所记载的合欢花粉形翅片相变储热球的形变材料平均温度和液相率的上升速率均大幅快于其他结构的相变储热球，固液界面收缩速率也明显快于其他结构的相变储热球；经过验证，相比于无内部翅片相变储热球，柱形翅片相变储热球，环形翅片相变储热球和平板形翅片相变储热球的融化时间分别缩短了61%，41%，24%和19%，蓄热速率有了明显提高。
附图说明
图1为合欢花粉形高效相变储热球的剖面图；
图2a为合欢花粉形高效相变储热球的立体结构示意图；
图2b为传统的柱形翅片球的立体结构示意图；
图2c为传统的环形翅片球的立体结构示意图；
图2d为传统的平板形翅片球的立体结构示意图；
图3为本案实施例中与Kamkari等人的实验结果进行比较的曲线图；
图4为不同相变储热球相变材料平均温度随时间变化的曲线图；
图5为不同相变储热球液相率随时间变化的曲线图；
图6为不同相变储热球融化时间的柱状图；
图7为不同相变储热球液相率云图和固液界面移动图；
图中标号名称：1是翅片、2是导热封装外壳、3是相变材料。
具体实施方式
为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
如图1所示，球内的翅片结构1整体呈现合欢花粉外壁形状，并与导热封装外壳2以及填充于球内部的相变材料3共同组成仿生高效相变储热球；翅片结构包含30个六角形和12个五角形孔，由内向外呈现放射状；翅片与导热封装外壳连接处的切面垂直；翅片的长度L与半径R之比为5/6；翅片的壁宽W和壁厚δ与当地半径(R)之比分别为W/R=0.35和δ/R=0.04。
上述翅片1采用不锈钢，铝，铜等金属或者碳化硅，氮化铝等陶瓷制成；上述导热封装外壳2采用PVC或POF热收缩膜制成；上述相变材料3采用石蜡、赤藓糖醇、醋酸等有机相变材料，结晶水合盐、熔融盐等无机相变材料或复合相变材料等固液相变材料制成。
具体地，上述翅片1采用选择性激光熔化成型，选择性激光烧结，光固化等3D打印或者使用模具浇筑而成。
具体地，上述导热封装外壳2具有一定的弹性，以适应固液相变材料在相变时的膨胀与收缩。
具体地，上述相变材料3采用真空浸渍法填充于翅片1间隙中，以充分填充进储热球内，不留空隙。
进一步，上述导热封装外壳2封装时，相变材料3为固态，且未完全填充整个球体；当相变材料3融化膨胀时刚好形成完整的球形状态；导热封装外壳2始终与翅片以及相变材料紧密贴合；封装后在接缝处涂上密封胶密封。
实施例一
合欢花粉形翅片相变储热球整体直径为30.4mm， PVC热缩膜厚度为0.2mm，翅片长度L为12.5mm，其余热物理参数如表1所示；用于对比的传统柱形翅片相变储热球，环形翅片相变储热球或平板形翅片相变储热球如图2所示。
表1热物理参数
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE002
用有限体积法求解质量、动量和能量的控制方程；球体初始温度为25℃，球体外侧设为40℃的定温边界条件。在模拟的前期阶段考察了网格尺寸和时间步长的影响；结果表明，合欢花粉形翅片相变储热球网格数量为1,208,233，时间步长为0.1s时，计算精度完全满足要求。此外，为了验证仿真结果的合理性，利用该计算方法模拟了矩形腔内的相变特性，并与Kamkari等人的实验结果进行了比较；如图3所示，模拟预测的熔化过程略快于实验结果；这是合理的，因为在实验中表面温度从初始值提高到目标值需要一段时间，在模拟中没有考虑到这一点。所建立的模型与实验结果吻合较好，可用于进一步分析。
应用Orogin软件将实验数据生成相变材料平均温度随时间变化的曲线如图4所示，液相率随时间变化的曲线如图5所示，不同相变储热球的融化时间如图6所示；应用Tecplot软件将实验数据生成液相率分布和固液界面移动如图7所示；结果表明，合欢花粉形翅片相变储热球的形变材料平均温度和液相率的上升速率均大幅快于其他结构的相变储热球，固液界面收缩速率也明显快于其他结构的相变储热球；合欢花粉形翅片相变储热球相比于无内部翅片相变储热球，柱形翅片相变储热球，环形翅片相变储热球和平板形翅片相变储热球的融化时间分别缩短了61%，41%，24%和19%。
本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种合欢花粉形高效相变储热球，其特征在于，所述相变储热球包括翅片结构（1）、封装在翅片结构（1）外的球形的导热封装外壳（2）以及填充在翅片结构（1）中的相变材料（3）；
所述翅片结构（1）呈由多个六边形结构以及多个五边形结构组成的放射球状，并且在一个球面上具有30个六边形和12个五边形；六边形结构以及多个五边形结构的边长，即翅片的壁宽均为W，六边形结构以及多个五边形结构的壁厚均为δ；
在翅片结构（1）与导热封装外壳（2）内壁的多道连接处，二者相垂直；
所述翅片结构（1）的球心处呈中空状，翅片结构（1）外边缘所处球面的半径为R，翅片结构（1）外边缘所处球面与内边缘所处球面之间的间距，即翅片的长度为L，翅片的长度L与半径R之比为5/6；翅片的壁宽W、壁厚δ与半径R之比分别为W/R=0.35、δ/R=0.04。
2.根据权利要求1所述的一种合欢花粉形高效相变储热球，其特征在于，所述翅片（1）采用金属或者陶瓷制成；所述导热封装外壳（2）采用PVC或POF热收缩膜制成；所述相变材料（3）采用石蜡、赤藓糖醇、醋酸等有机相变材料，结晶水合盐、熔融盐等无机相变材料或复合相变材料等固液相变材料制成。
3.根据权利要求1所述的合欢花粉形高效相变储热球，其特征在于，所述翅片（1）采用3D打印或者使用模具浇筑而成。
4.根据权利要求1所述的合欢花粉形高效相变储热球，其特征在于，所述导热封装外壳（2）由弹性材料制成。
5.根据权利要求1所述的合欢花粉形高效相变储热球，其特征在于，所述相变材料（3）采用真空浸渍法填充于翅片（1）间隙中。
6.根据权利要求1-5所述的合欢花粉形高效相变储热球，其特征在于，所述导热封装外壳（2）封装时，相变材料（3）为固态，且未完全填充整个球体；当相变材料（3）融化膨胀时刚好形成完整的球形状态；导热封装外壳（2）始终与翅片以及相变材料紧密贴合；封装后在接缝处涂上密封胶密封。
CN202210810717.7A 2022-07-11 2022-07-11 一种合欢花粉形高效相变储热球 Active CN115615227B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210810717.7A CN115615227B (zh) 2022-07-11 2022-07-11 一种合欢花粉形高效相变储热球

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210810717.7A CN115615227B (zh) 2022-07-11 2022-07-11 一种合欢花粉形高效相变储热球

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115615227A true CN115615227A (zh) 2023-01-17
CN115615227B CN115615227B (zh) 2023-09-29

Family

ID=84856544

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210810717.7A Active CN115615227B (zh) 2022-07-11 2022-07-11 一种合欢花粉形高效相变储热球

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115615227B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2256451A1 (de) * 2009-05-19 2010-12-01 LaTherm Wärmespeichervorrichtung
CN202329328U (zh) * 2011-11-23 2012-07-11 福建省宁德市俊杰瓷业有限公司 一种节能翅片分隔孔型的蜂窝陶瓷蓄热体
CN103968695A (zh) * 2014-05-27 2014-08-06 哈尔滨工业大学 具有树形定向导热翅片结构的储能装置
CN106940148A (zh) * 2016-11-26 2017-07-11 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） 变梯度分形点阵夹芯强化相变热沉
WO2017125513A2 (fr) * 2016-01-20 2017-07-27 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Echangeur thermique à fluide caloporteur à assemblage optimisé et un dispositif de stockage d'énergie thermique par matériau à changement de phase comprenant ledit échangeur
CN108369930A (zh) * 2015-11-11 2018-08-03 全南大学校产学协力团 三维吸热装置
CN108362153A (zh) * 2018-02-06 2018-08-03 上海交通大学 一种带内肋片的高效相变储能封装球
CN113916037A (zh) * 2021-10-13 2022-01-11 江苏科技大学 雪花状翅片相变蓄热装置

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2256451A1 (de) * 2009-05-19 2010-12-01 LaTherm Wärmespeichervorrichtung
CN202329328U (zh) * 2011-11-23 2012-07-11 福建省宁德市俊杰瓷业有限公司 一种节能翅片分隔孔型的蜂窝陶瓷蓄热体
CN103968695A (zh) * 2014-05-27 2014-08-06 哈尔滨工业大学 具有树形定向导热翅片结构的储能装置
CN108369930A (zh) * 2015-11-11 2018-08-03 全南大学校产学协力团 三维吸热装置
WO2017125513A2 (fr) * 2016-01-20 2017-07-27 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Echangeur thermique à fluide caloporteur à assemblage optimisé et un dispositif de stockage d'énergie thermique par matériau à changement de phase comprenant ledit échangeur
CN106940148A (zh) * 2016-11-26 2017-07-11 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） 变梯度分形点阵夹芯强化相变热沉
CN108362153A (zh) * 2018-02-06 2018-08-03 上海交通大学 一种带内肋片的高效相变储能封装球
CN113916037A (zh) * 2021-10-13 2022-01-11 江苏科技大学 雪花状翅片相变蓄热装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李树谦;刘子苑;周晴晴;于东;张月;: "扩展表面在相变储热中的强化换热研究进展", 河北水利电力学院学报, no. 04, pages 16 - 23 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115615227B (zh) 2023-09-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Diao et al. Numerical investigation of the thermal performance enhancement of latent heat thermal energy storage using longitudinal rectangular fins and flat micro-heat pipe arrays
US4285385A (en) Method for the production of heat exchangers
CN101453859B (zh) 回路式热管散热装置及其制作方法
CN101510533B (zh) 新型微电子器件散热器
TWI329184B (en) Vapor chamber and manufacturing method thereof
CN103000595B (zh) 一种多向进出相变传热装置及其制作方法
CN108601288B (zh) 一种大功率矩阵肋片强化换热相变热沉
CN110567301A (zh) 一种散热板及其制造方法
JP6931821B2 (ja) 蓄熱ユニット
CN209279746U (zh) 一种基于固液双工质的储热散热微通道铝热管
CN103165547A (zh) 微槽群复合相变散热器
Priyadarsini et al. Effect of trapezoidal fin on heat transfer enhancement in pcm thermal energy storage system: A computational approach
CN103826422A (zh) 微通道冷却装置
CN115615227B (zh) 一种合欢花粉形高效相变储热球
CN203083410U (zh) 一种内凹槽多孔强化沸腾微通道结构
CN101222838A (zh) 太阳花嵌入热管散热器
Guellil et al. Experimental study of the performance of a novel latent heat charging unit on charging and discharging processes
CN103673739B (zh) 一种金属与导热塑料复合微换热器结构
CN101222833A (zh) 太阳花整体热管散热器
CN115289889A (zh) 不规则雪花式翅片相变蓄热装置
Özdilli et al. Numerical analysis of the cooling performance of heat sinks with different geometries
CN208862117U (zh) 一种热管结合相变材料形成复合板的电池热管理系统
CN113758331A (zh) 一种机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置
CN203967068U (zh) 适用于发热器件的散热装置
CN201001249Y (zh) 太阳花整体热管散热器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant