CN116336845A - 一种花型脉动热管相变蓄热换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种花型脉动热管相变蓄热换热器，所述换热器包括放热腔体、蓄热腔体和吸热腔体、单头花型脉动热管、双头花型脉动热管以及相变材料，单头花型脉动热管包括竖直管道和连接竖直管道并且位于竖直管道上部的花型结构，单头花型脉动热管竖直管道布置于蓄热腔体内，花型结构布置于放热流道中；双头花型脉动热管包括竖直管道和连接竖直管道并且位于竖直管道上部和下部的上部花型结构和下部花型结构，双头花型脉动热管竖直管道布置于蓄热腔体内，上部花型结构布置于放热流道中,下部花型结构布置于吸热腔体中，所述相变材料位于蓄热腔体中。该蓄热器利用花型脉动热管高导热系数的特点，可实现能量的快速储存及释放。

Description

一种花型脉动热管相变蓄热换热器

技术领域

本发明涉及蓄热及换热领域，特别是周期性能源蓄热利用领域，具体涉及一种花型脉动热管相变蓄热换热器。

背景技术

以石油、煤炭为代表的化石燃料在使用过程中会造成极大的环境问题，而太阳能、风能等清洁可再生能源的供给存在周期性变化，对其大规模应用造成一定阻碍。蓄热器可将清洁能源产生的能量以热能的形式储存，在能量需求时释放热量，能有有效解决太阳能等周其性能源的供给问题。因此开发一种具备蓄热效率的设备是十分必要的。

相变材料具有高相变潜热的优势，被广泛应用于蓄热领域，但相变材料普遍存在导热系数低的问题，不利于热量的快速存储与释放。目前主流蓄热设备通常在蓄热材料中设置加热和冷却盘管以实现热量的储存与释放，为增加换热面积换热盘管通常设有多个弯头，运行过程中需要较大的泵功驱动。同时加热盘管、冷却盘管、相变材料直接接触，在使用过程中存在泄露风险。

普通重力热管内部工质存在明显的汽液界面，液态工质位于脉动热管下方，气态工质位于脉动热管上方；而脉动热管内部工质受到重力与表面张力的共同作用，内部工质呈现气塞、液塞间隔分布的状态。在蓄热器中，脉动热管内液态工质能更好的吸收位于脉动热管中部蓄热材料的能量，而重力热管由于液态工质脉动热管下方，无法良好吸收脉动热管中部蓄热材料的能量。脉动热管的运行状态与普通重力热管也不尽相同，脉动热管在稳定运行过程中，内部工质以单一方向高速循环流动；而重力热管运行过程中则沿重力方向往复循环，工质的蒸发与冷凝相互冲突，循环速度慢。

脉动热管作为一种较新的脉动热管结构，其继承了脉动热管高导热性的有点，且内部工质呈现气塞液塞间隔分布的状态，其热源位置不必设置在脉动热管最下方，更有利于蓄热器中热量的释放，因此相较于传统重力热管更适合应用于蓄热设备。同时，脉动热管结构简单，制作方便，可任意弯折成所需形状，以增加传热面积。热源流体与被加热流体直接与脉动热管接触，不再与相变材料接触，脉动热管内部工质含量较少，不会发生大面积泄露问题。经研究发现三维脉动热管的综合传热性能高于平面脉动热管，因此设计一种新型三维脉动热管是相变蓄热器是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供应用于周期性能源蓄热领域的花型脉动热管式相变蓄热器及其工作方法，该蓄热器利用花型脉动热管高导热系数的特点，可实现能量的快速储存及释放。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种花型脉动热管相变蓄热换热器，所述换热器包括放热腔体、蓄热腔体和吸热腔体、单头花型脉动热管、双头花型脉动热管以及相变材料，所述放热腔体位于上部，蓄热腔体位于中部，吸热腔体位于下部，所述放热腔体包括设置在腔体内部的放热流道，放热腔体设置放热流道入口和放热流道出口，吸热腔体设置热源流体入口和热源流体出口，单头花型脉动热管包括竖直管道和连接竖直管道并且位于竖直管道上部的花型结构，单头花型脉动热管竖直管道布置于蓄热腔体内，花型结构布置于放热流道中；双头花型脉动热管包括竖直管道和连接竖直管道并且位于竖直管道上部和下部的上部花型结构和下部花型结构，双头花型脉动热管竖直管道布置于蓄热腔体内，上部花型结构布置于放热流道中,下部花型结构布置于吸热腔体中，所述相变材料位于蓄热腔体中。

作为优选，竖直管道包括围绕着中心设置的多根竖直管道，从而形成竖直管道圆，花型结构是连接竖直管道的端部从中心向外沿着径向延伸的直线部以及连接相邻直线部的弯曲部，相邻直线部间隔设置弯曲部。

作为优选，单头花型脉动热管的竖直管道圆和双头花型脉动热管的竖直管道圆是同心结构，其中单头花型脉动热管的竖直管道圆的直径小于双头花型脉动热管的竖直管道圆的直径。

作为优选，单头花型脉动热管的花型结构位于双头花型脉动热管的上部花型结构的上部。

作为优选，还包括导热金属丝网，所述导热金属丝网布置在蓄热腔体内，所述导热金属丝网可促进相变材料的蓄热和放热过程，并起到固定单头花型脉动热管、双头花型脉动热管位置的作用。

作为优选，蓄热腔体外布置保温材料，保温材料可选择但不限于石墨纤维隔热毯、碳化硅纤维隔热毡、玻璃纤维隔热毡。

作为优选，在放热腔体与吸热腔体中布置折流挡板以增加换热流体流程，并起到固定花型脉动热管花型结构的作用。

一种如前面所述的换热器的换热方法，可进行三种不同工作模式：

直接换热模式：当同时存在热源流体及被加热流体时，蓄热器进行换热模式，此时热源流体通过热源流体入口进入吸热腔体，与双头花型脉动热管下部花型结构进行换热后经由热源流体出口流出，被加热流体通过放热流道入口进入放热流道，与双头花型脉动热管上部花型结构进行换热后经由放热流道出口流出；双头花型脉动热管吸收热源流体中热量后开始工作，中部竖直结构与上部花型结构温度升高，分别于相变材料与被加热流体换热，相变材料此时为低温固体状态，而被加热流体为流动状态，上部花型结构温与被加热流体间热阻小于中部竖直结构与相变材料热阻，大部分热量被被加热流体吸收，被加热流体吸收热量比例可通过被加热流体流速调节；

蓄热模式：当存在热源流体但不存在被加热流体时，蓄热器进行蓄热模式，此时热源流体通过热源流体入口进入热源流道，与双头花型脉动热管下部花型结构进行换热后经由热源流体出口流出；双头花型脉动热管吸收热源流体中热量后开始工作，中部竖直结构与上部花型结构温度升高，此时上部花型结构不存在换热条件，热量只能被相变材料吸收，以热能的形式储存。蓄热速率可由热源流体流速调节；

放热模式：当不存在热源流体但存在被加热流体，且蓄热器内相变材料已经蓄热完成时，蓄热器进行放热模式，此时单头花型脉动热管与双头花型脉动热管竖直结构吸收相变材料中热量并开始工作，被加热流体通过放热流道入口进入放热流道，与单头花型脉动热管及双头花型脉动热管上部花型结构进行换热后经由放热流道出口流出。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

（1）与管道式相变蓄热器相比，脉动热管式相变蓄热器中相变材料与余热流体及被加热流体不直接接触，避免发生管道泄漏流体与相变材料混合的事故，安全系数提高，且余热流体流道及被加热流体流道显著减少，降低了对流体驱动泵功率的需求，增加相变材料填充空间。

（2）与管道式相变蓄热器相比，脉动热管导热系数极高，可有效提高冷热流体间换热效果并降低蓄放热过程中所需时间，提高蓄热器性能。

（3）与重力热管式相变蓄热器相比，花型脉动热管式相变蓄热器在长度更短，冷热源流体与脉动热管传热流程更长，吸放热效果更好。

（4）与重力热管式相变蓄热器相比，由于脉动热管内工质特殊的汽液分布，花型脉动热管式相变蓄热器能更好的在放热过程中运行，提高放热能力。

（5）与重力热管式相变蓄热器相比，花型脉动热管式相变蓄热器内脉动热管集成性高，脉动热管数量少，相同脉动热管体积，脉动热管与相变材料接触面积大。

（6）当脉动热管弯头数超过20时，与重力热管式相变蓄热器相比，花型脉动热管式相变蓄热器能够在非重力方向上运行，即热源流体可与被加热流体可处于同一水平面上或热源流体可位于被加热流体上方。

（7）放热过程中相变材料的热量品位较低，花型脉动热管结构可使脉动热管式相变蓄热器在放热过程中更好的释放相变材料中的热量。

（8）与金属翅片结构相比，导热金属丝网的布置可以有效增加脉动热管与相变材料的接触面积，且金属丝网的大孔隙就够不会相变材料的自然对流强度，在材料成本方面金属丝网的价格更低。

附图说明

图1是本发明花型脉动热管相变蓄热换热器整体结构示意图。

图2是本发明图1中的A-A截面蓄热腔体内部结构示意图。

图3是本发明花型脉动热管结构及布置位置示意图。

图4是本发明图1中B-B截面热源流道内结构示意图。

图中：

1、放热腔体；2、蓄热腔体；3、吸热腔体；4、单头花型脉动热管；5、双头花型脉动热管；6、相变材料；1a、放热流道入口；1b、放热流道出口；3a、热源流体入口；3b、热源流体出口；7、导热金属丝网；8、保温材料；9、折流挡板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

一种花型脉动热管相变蓄热换热器，如图1-4所示，所述换热器包括放热腔体1、蓄热腔体2和吸热腔体3、单头花型脉动热管4、双头花型脉动热管5以及相变材料6，所述放热腔体1位于上部，蓄热腔体2位于中部，吸热腔体3位于下部，所述放热腔体1包括设置在腔体内部的放热流道，放热腔体1设置放热流道入口1a和放热流道出口1b，吸热腔体3设置热源流体入口3a和热源流体出口3b，单头花型脉动热管4包括竖直管道和连接竖直管道并且位于竖直管道上部的花型结构，单头花型脉动热管4竖直管道布置于蓄热腔体2内，花型结构布置于放热流道中；双头花型脉动热管5包括竖直管道和连接竖直管道并且位于竖直管道上部和下部的上部花型结构和下部花型结构，双头花型脉动热管5竖直管道布置于蓄热腔体2内，上部花型结构布置于放热流道中,下部花型结构布置于吸热腔体3中，所述相变材料6位于蓄热腔体2中。

脉动热管换热性能优秀，可有效提高冷热流体间换热效果并降低蓄放热过程中所需时间，提高蓄热器性能。花型脉动热管相变蓄热换热器中相变材料与余热流体及被加热流体不直接接触，避免发生管道泄漏流体与相变材料混合的事故，安全系数提高，且余热流体流道及被加热流体流道显著减少，降低了对流体驱动泵功率的需求，增加相变材料填充空间。

本发明的相变蓄热换热器能够采取多种工作模式，以满足不同的需要。

作为优选，如图3所示，竖直管道包括围绕着中心设置的多根竖直管道，从而形成竖直管道圆，花型结构是连接竖直管道的端部从中心向外沿着径向延伸的直线部以及连接相邻直线部端部的弯曲部，相邻直线部间隔设置弯曲部。

将花型结构与脉动热管结合，能够进一步提高换热效率。采用花型脉动热管的花型结构能有效增加余热流体与被加热流体的流程，增加脉动热管与换热流体间换热效果。花型弯折结构也可有效减少蓄热器长度尺寸，使蓄热器结构更加紧密。竖直管道可有效利用重力作用，并降低工质在脉动热管内循环过程中所受到的运行阻力。

例如参照图3，单头花型脉动热管4包括竖直管道以及连接竖直管道的上端的花型结构。双头花型脉动热管5包括竖直管道以及连接竖直管道的上部花型结构和下部花型结构。

作为优选，单头花型脉动热管4的竖直管道圆和双头花型脉动热管5的竖直管道圆是同心结构，其中单头花型脉动热管4的竖直管道圆的直径小于双头花型脉动热管5的竖直管道圆的直径。

同心圆结构可使蓄热器在放热过程中均匀吸收相变材料所储存的热量。放热过程中相变材料的热量品位较低，采用花型脉动热管结构可使脉动热管式相变蓄热器在放热过程中更好的释放相变材料中的热量。

作为优选，单头花型脉动热管4的花型结构位于双头花型脉动热管5的上部花型结构的上部。

被加热流体侧采用双层换热结构可有效提升脉动热管与被加热流体间换热效果，使被加热流体更好吸收热量。

作为优选，还包括导热金属丝网7，所述导热金属丝网7布置在蓄热腔体2内，所述导热金属丝网7可促进相变材料6的蓄热和放热过程，并起到固定单头花型脉动热管、双头花型脉动热管位置的作用。

作为优选，蓄热腔体2外布置保温材料8，保温材料可选择但不限于石墨纤维隔热毯、碳化硅纤维隔热毡、玻璃纤维隔热毡。应保证保温材料外壁面温度与环境温度的差值小于5℃。

作为优选，在放热腔体1与吸热腔体3中布置折流挡板9以增加换热流体流程，并起到固定花型脉动热管花型结构的作用。

脉动热管的管径受到运行原理的限制，具体脉动热管管子直径（内径）选择与工质物性参数有关：

其中，d为脉动热管管内径，单位是m；g为当地重力加速度，单位是m/s²；

为热管内工质表面张力，单位是N/m；/>

、/>

分别为液态工质密度、气态工质密度，单位是kg/m³。

通过上述优化公式选择的管径，能够使得脉动热管换热效果达到最佳的换热效果。

花型脉动热管上下两端花型结构能够有效增加吸热腔体与放热腔体内流体流程，减小脉动热管纵向长度，使蓄热器结构更加紧凑。蓄热器在运行过程中，热源流体与被加热流体与脉动热管的换热方式以强制对流换热为主，相变材料与脉动热管换热方式为导热与自然对流为主，同时为了增加蓄热器蓄热体积，花型脉动热管竖直管段长度应大于花型结构半径，双头花型脉动热管最佳长度比为1：2：1，单头花型脉动热管长度比为2：1。

花型脉动热管立管数量的增加可增加蓄热器逆重力运行能力，花型脉动热管竖直立管数量应大于等于40，即花型脉动热管弯头数应大于等于20。

花型脉动热管弯头直径及花型脉动热管竖直管段间距应根据蓄热器体积设计，花型脉动热管弯头直径应保持统一。

提供一个实施例，一种花型脉动热管相变蓄热换热器，其包括放热腔体1、蓄热腔体2、吸热腔体3、单头花型脉动热管4、双头花型脉动热管5、相变材料6、导热金属丝网7、保温材料8和折流挡板9。放热腔体1的放热流道上分别布置放热流道入口1a、放热流道出口1b；吸热腔体3的热源流道上分别布置热源流体入口3a、热源流体出口3b。蓄热腔体2内布置相变材料6，并等距布置导热金属丝网7，导热金属丝网7可促进相变材料6的蓄热和放热过程，并起到固定单头花型脉动热管4、双头花型脉动热管5位置的作用，其网状结构对相变材料6的自然对流强度阻碍很小；蓄热腔体2外布置保温材料8，保温材料8可选择但不限于石墨纤维隔热毯、碳化硅纤维隔热毡、玻璃纤维隔热毡 ，应保证保温材料8外壁面温度与环境温度的差值小于5℃。单头花型脉动热管4竖直管道布置于蓄热腔体2内，花型结构布置于放热流道中，单头花型脉动热管4主要用于放热过程。双头花型脉动热管5竖直管道布置于蓄热腔体2内，上部花型结构布置于放热流道中，下部花型结构布置于热源流道中，双头花型脉动热管5主要用于换热过程和蓄热过程，并在放热过程中辅助单头花型脉动热管4放热。单头花型脉动热管放热与单头花型脉动热管的花型结构可有效增加脉动热管与换热流体的接触面积，并降低蓄热器整体高度，花型脉动热管弯头数均为20个，该数据可根据蓄热器尺寸适当增加或减小弯头数，脉动热管充液率设置在50%-90%，需根据脉动热管工质选择合适充液率，例如采用R134-a工质充液率为50%效果较高，采用丙酮工质充液率为90%效果消耗，两种花型脉动热管具体结构及相对布置位置如图3所示。为了进一步提高换热流体与花式脉动热管的换热面积，在放热流道与热源流道中布置折流挡板9以增加换热流体流程，并起到固定花型脉动热管花型结构的作用。

一种如前面所述的换热器的换热方法，可进行三种不同工作模式：

直接换热模式：当同时存在热源流体及被加热流体时，蓄热器进行换热模式，此时热源流体通过热源流体入口进入吸热腔体3，与双头花型脉动热管下部花型结构进行换热后经由热源流体出口流出，被加热流体通过放热流道入口进入放热流道，与双头花型脉动热管上部花型结构进行换热后经由放热流道出口流出；双头花型脉动热管吸收热源流体中热量后开始工作，中部竖直结构与上部花型结构温度升高，分别于相变材料6与被加热流体换热，相变材料6此时为低温固体状态，而被加热流体为流动状态，上部花型结构温与被加热流体间热阻小于中部竖直结构与相变材料6热阻，大部分热量被被加热流体吸收，被加热流体吸收热量比例可通过被加热流体流速调节；

蓄热模式：当存在热源流体但不存在被加热流体时，蓄热器进行蓄热模式，此时热源流体通过热源流体入口进入热源流道，与双头花型脉动热管下部花型结构进行换热后经由热源流体出口流出；双头花型脉动热管吸收热源流体中热量后开始工作，中部竖直结构与上部花型结构温度升高，此时上部花型结构不存在换热条件，热量只能被相变材料6吸收，以热能的形式储存。蓄热速率可由热源流体流速调节；

放热模式：当不存在热源流体但存在被加热流体，且蓄热器内相变材料6已经蓄热完成时，蓄热器进行放热模式，此时单头花型脉动热管与双头花型脉动热管竖直结构吸收相变材料6中热量并开始工作，被加热流体通过放热流道入口进入放热流道，与单头花型脉动热管及双头花型脉动热管上部花型结构进行换热后经由放热流道出口流出。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种花型脉动热管相变蓄热换热器，所述换热器包括放热腔体、蓄热腔体和吸热腔体、单头花型脉动热管、双头花型脉动热管以及相变材料，所述放热腔体位于上部，蓄热腔体位于中部，吸热腔体位于下部，所述放热腔体包括设置在腔体内部的放热流道，放热腔体设置放热流道入口和放热流道出口，吸热腔体设置热源流体入口和热源流体出口，单头花型脉动热管包括竖直管道和连接竖直管道并且位于竖直管道上部的花型结构，单头花型脉动热管竖直管道布置于蓄热腔体内，花型结构布置于放热流道中；双头花型脉动热管包括竖直管道和连接竖直管道并且位于竖直管道上部和下部的上部花型结构和下部花型结构，双头花型脉动热管竖直管道布置于蓄热腔体内，上部花型结构布置于放热流道中，下部花型结构布置于吸热腔体中，所述相变材料位于蓄热腔体中。

2.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，竖直管道包括围绕着中心设置的多根竖直管道，从而形成竖直管道圆，花型结构是连接竖直管道的端部从中心向外沿着径向延伸的直线部以及连接相邻直线部的弯曲部，相邻直线部间隔设置弯曲部。

3.如权利要求2所述的换热器，其特征在于，单头花型脉动热管的竖直管道圆和双头花型脉动热管的竖直管道圆是同心结构，其中单头花型脉动热管的竖直管道圆的直径小于双头花型脉动热管的竖直管道圆的直径。

4.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，单头花型脉动热管的花型结构位于双头花型脉动热管的上部花型结构的上部。

5.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，还包括导热金属丝网，所述导热金属丝网布置在蓄热腔体内，所述导热金属丝网可促进相变材料的蓄热和放热过程，并起到固定单头花型脉动热管、双头花型脉动热管位置的作用。

6.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，蓄热腔体外布置保温材料，保温材料可选择但不限于石墨纤维隔热毯、碳化硅纤维隔热毡、玻璃纤维隔热毡。

7.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，在放热腔体与吸热腔体中布置折流挡板以增加换热流体流程，并起到固定花型脉动热管花型结构的作用。

8.一种如权利要求1-7之一所述的换热器的换热方法，可进行三种不同工作模式：

直接换热模式：当同时存在热源流体及被加热流体时，蓄热器进行换热模式，此时热源流体通过热源流体入口进入吸热腔体，与双头花型脉动热管下部花型结构进行换热后经由热源流体出口流出，被加热流体通过放热流道入口进入放热流道，与双头花型脉动热管上部花型结构进行换热后经由放热流道出口流出；双头花型脉动热管吸收热源流体中热量后开始工作，中部竖直结构与上部花型结构温度升高，分别于相变材料与被加热流体换热，相变材料此时为低温固体状态，而被加热流体为流动状态，上部花型结构温与被加热流体间热阻小于中部竖直结构与相变材料热阻，大部分热量被被加热流体吸收，被加热流体吸收热量比例可通过被加热流体流速调节；

蓄热模式：当存在热源流体但不存在被加热流体时，蓄热器进行蓄热模式，此时热源流体通过热源流体入口进入热源流道，与双头花型脉动热管下部花型结构进行换热后经由热源流体出口流出；双头花型脉动热管吸收热源流体中热量后开始工作，中部竖直结构与上部花型结构温度升高，此时上部花型结构不存在换热条件，热量只能被相变材料吸收，以热能的形式储存,蓄热速率可由热源流体流速调节；

放热模式：当不存在热源流体但存在被加热流体，且蓄热器内相变材料已经蓄热完成时，蓄热器进行放热模式，此时单头花型脉动热管与双头花型脉动热管竖直结构吸收相变材料中热量并开始工作，被加热流体通过放热流道入口进入放热流道，与单头花型脉动热管及双头花型脉动热管上部花型结构进行换热后经由放热流道出口流出。

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