CN115615227B - 一种合欢花粉形高效相变储热球 - Google Patents

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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、封装在翅片结构外的球形的导热封装外壳2以及填充在翅片结构中的相变材料3；
所述翅片结构呈内部中空的球形，其包括若干连为一体的翅片1，通过若干翅片1形成30个六边形的通道以及12个五边形的通道，所述通道呈内小外大的放射状；
换言之，所述球内翅片结构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1的外边缘所处球面的半径为R，翅片1外边缘所处球面与内边缘所处球面之间的间距，即翅片1的长度为L，翅片的长度L与半径R之比为5/6；翅片1的外边缘处的壁宽W、壁厚δ，二者与半径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
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、封装在翅片结构外的球形的导热封装外壳(2)以及填充在翅片结构中的相变材料(3)；
所述翅片结构呈内部中空的球形，其包括若干连为一体的翅片(1)，通过若干翅片(1)形成30个六边形的通道以及12个五边形的通道，所述通道呈内小外大的放射状；
在翅片结构与导热封装外壳(2)内壁的多道连接处，二者相垂直；
所述翅片(1)的外边缘所处球面的半径为R，翅片(1)外边缘所处球面与内边缘所处球面之间的间距，即翅片(1)的长度为L，翅片的长度L与半径R之比为5/6；翅片(1)的外边缘处的壁宽W、壁厚δ，二者与半径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)为固液相变材料，所述固液相变材料采用由有机相变材料或无机相变材料制成，所述有机相变材料为石蜡、赤藓糖醇或醋酸，所述无机相变材料为结晶水合盐、熔融盐。
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任一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。
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