CN116045712B - 一种双梯级波节管储热系统及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双梯级波节管储热系统及其加工方法，属于新能源科学领域及机械加工技术领域，本发明储热系统包括双梯级波节管储热单元及所填充相变材料；双梯级波节管储热单元包括内部的双梯级波节管、外部套管及两端盖；内管为沿换热流体流动方向节距与振幅分别双重梯级变化的正弦波节管，采用铸造或3D打印整体加工；外部套管为普通直管；内外套管间填充相变材料，并以焊接方式将内外套管通过两侧端盖进行密封连接；梯级波节管作为储热系统的内套管，可以减轻储热系统的重量，并且可以同时提升换热流体侧及相变材料侧的换热性能，可以大大提升系统的储热速率。

Description

一种双梯级波节管储热系统及其加工方法
技术领域
本发明属于新能源科学及机械加工技术领域，具体涉及一种双梯级波节管储热系统及其加工方法。
背景技术
随着传统能源资源的进一步消耗以及我国大力发展能源回收及储存技术，如何高效地利用太阳能等新能源及工业余废热成为了目前的研究趋势。相变储热技术安全性高，在使用过程中利用相变过程可以储存大量热量的同时基本保持温度不变。但相变储热材料自身导热系数较低是其主要缺点，限制了以其为介质的储热系统在新能源及余废热回收领域的大规模利用。
目前对于储热系统性能的改善，通常采用在相变材料侧添加肋片的方式，然而传统的肋片结构通常会使得储热系统的重量大大增加，而且肋片的安装导致储热密度明显的降低，此外对于一些复杂的肋片结构还存在加工困难及成本较高的情况。
发明内容
本发明提供了一种双梯级波节管储热系统及其加工方法，将梯级波节管作为储热系统的内套管，可以减轻储热系统的重量，并且可以同时提升换热流体侧及相变材料侧的换热性能，可以大大提升系统的储热速率。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种双梯级波节管储热系统，包括双梯级波节管储热单元及所填充相变材料；其中双梯级波节管储热单元由内部的双梯级波节管3、外部套管1及两侧端盖4组成；相变材料2填充在双梯级波节管和外部套管之间。
以上所述结构中，所述双梯级波节管为沿换热流体流动方向节距与振幅双重梯级变化的正弦波节管，每一节波节管的波形都满足方程：，其中A为振幅，L/2为节距，x, y表示直角坐标；
所述双梯级波节管、外部套管及两侧端盖的材料为不锈钢、铜合金或者铝合金；
所述相变材料为石蜡或无机盐类相变材料。
上述双梯级波节管储热系统的加工方法，包括以下步骤：
（1）首先根据图纸，利用铸造或者3D打印的方法整体加工内部的双梯级波节管；
（2）将步骤(1)得到的双梯级波节管、外部套管及一端的端盖通过焊接的方法连接，同时将相变材料填充在双梯级波节管和外部套管之间，填充量不超过体积的95%；
（3）最后通过焊接的手段，将内波节管、外套管及另一侧端盖连接，使得整个系统得到密封。
有益效果：本发明提供了一种双梯级波节管储热系统及其加工方法，利用铸造或者3D打印技术加工了双梯级波节管储热系统内部的双梯级波节管，并利用焊接技术密封形成整体储热系统，相变材料可采用石蜡或者无机盐类，相比传统的肋片管储热系统，本发明使得系统整体的质量变轻，加工难度及成本下降，储热密度无明显降低，并可以同时提升换热流体侧及相变材料侧的换热性能；另外与传统无梯级或者单一梯级变化的波节管储热系统相比，可以使得储热时间明显缩短，储热效率明显提升。此系统在太阳能利用、建筑采暖、工业余废热利用等领域具有较好的应用前景，而且可以根据不同应用场景，准确加工不同结构的双梯级波节管，可调性好。
附图说明
图1是本发明实施例1的双梯级波节管储热系统示意图；
图2是本发明实施例1不同储热系统液相分数随时间变化对比云图；
图3是本发明实施例2不同入口温度下相变材料的完全熔化时间对比图；
图4是本发明实施例3不同入口流速下相变材料的完全熔化时间对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
实施例1
一种双梯级波节管储热系统的加工方法，包括以下步骤：
利用CAD软件绘制双梯级内波节管的设计图，之后将图纸导入3D打印设备并进行整体加工；将内波节管、外套管及一端的端盖通过焊接的方法连接，同时将相变材料填充在两套管间；最后通过焊接的手段，将内波节管、外套管及另一侧端盖连接，使得整个系统得到密封。得到双梯级波节管储热系统。如图1所示，1为外套管，2为相变材料填充区域，3为内部的双梯级波节管，4为端盖。双梯级波节管入口直径40mm，壁厚2mm，外套管内直径80mm，壁厚5mm，换热段总长400mm，每一波节管有效直径满足方程。为了保证换热流体流动的稳定性，内波节管前后分别留出50mm的延伸管。内、外套管及端盖采用不锈钢，相变材料为LiNO3-KCl按质量分数58.1%-41.9%混合得到的共晶盐。
为了考察双梯级波节管储热系统的性能，本实例对双梯级波节管、普通波节管及普通直管式储热系统的储热过程进行了数值仿真。由于高度的对称性，仿真过程采用简化的二维旋转轴对称模型。换热流体由下方入口流入，流速为0.5m/s，入口温度为476.15K，相变材料初始温度为300.15K。图2展示了三种系统的储热过程液相分数随时间的变化云图。从图中可以看出，双梯级波节管储热系统液相从0到1速度最快，说明其储热性能最佳。
利用数值模拟考察了进口温度对双梯级波节管储热系统储热性能的影响。同样仿真过程采用简化的二维旋转轴对称模型，对双梯级波节管、单一梯级变化波节管、普通波节管及普通套管式储热系统的储热过程进行了数值模拟。换热流体由下方入口流入，流速为0.5m/s，入口温度在456.15-496.15K间变化，相变材料初始温度均为300.15K。图3展示了不同入口温度下三类系统内部相变材料的完全熔化时间。从图中可以明显看出，双梯级波节管具有最好的储热性能，相比普通直管，在入口流速为0.3m/s时可以减少36%的熔化时间。
利用数值模拟考察了进口流速对双梯级波节管储热系统储热性能的影响。仿真过程依然采用简化的二维旋转轴对称模型，对双梯级波节管、单一梯级变化波节管、普通波节管及普通套管式储热系统的储热过程进行了数值模拟。换热流体由下方入口流入，流速在0.3-0.7m/s间变化，入口温度为476.15K，相变材料初始温度均为300.15K。图4展示了不同入口流速下三类系统内部相变材料的完全熔化时间。从图中可以明显看出，双梯级波节管在换热流体不同入口温度下也具有最好的储热性能，相比普通直管，在入口温度为456.15K时，可以减少26%的熔化时间。
从上述实验结果可以看出本发明的储热系统与传统的非梯级波节管、单一梯级变化波节管以及直管相比，储热时间减小，储热效率提升。同时该加工方法成熟可靠、可调性广，可根据不同的使用领域进行调节，在太阳能利用、建筑采暖、工业余废热利用等领域具有较好的应用前景。
以上仅是本发明的优选实施例，将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出的若干变形和改进都属于本发明的保护。

Claims (5)

1.一种双梯级波节管储热系统，其特征在于，包括双梯级波节管储热单元、相变材料；所述双梯级波节管储热单元由内部的双梯级波节管、外部套管及两侧端盖组成，所述端盖用于连接密封双梯级波节管和外部套管两端；所述相变材料填充在双梯级波节管和外部套管之间；所述双梯级波节管为沿换热流体流动方向节距与振幅双重梯级变化的正弦波节管，所述双梯级波节管的每一节波节管的波形都满足方程：其中A为振幅，L/2为节距，x,y表示直角坐标。
2.根据权利要求1所述的双梯级波节管储热系统，其特征在于，所述双梯级波节管、外部套管及两侧端盖的材料为不锈钢、铜合金或者铝合金。
3.根据权利要求1所述的双梯级波节管储热系统，其特征在于，所述相变材料为石蜡或无机盐类相变材料。
4.根据权利要求1或3所述的双梯级波节管储热系统，其特征在于，所述相变材料填充量不超过体积的95％。
5.根据权利要求1-4任一项所述的双梯级波节管储热系统的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)首先根据图纸，利用铸造或者3D打印的方法整体加工内部的双梯级波节管；
(2)将步骤(1)得到的双梯级波节管、外部套管及一端的端盖通过焊接的方法连接，同时将相变材料填充在双梯级波节管和外部套管之间；
(3)最后通过焊接的手段，将内波节管、外套管及另一侧端盖连接，使得整个系统得到密封。
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