CN204555778U - 管壳式多功能相变储能换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种管壳式多功能相变储能换热器，包括：壳体、管箱、封头、两块管板、填充相变储能材料的若干双层套管换热管、若干折流元件。换热器壳体上设有壳程流体的进口和出口接管，管箱上设有管程流体的进口和出口接管。该换热器通过相变储能材料的固液相转变，可以实现热能的储存和释放。储热流体与取热流体均可以是气态介质、液态介质、气液混合介质，储热流体与取热流体均可通过阀门切换走管程、走壳程或同时走管程和壳程，以加快储热或取热速率、缩短储热或取热时间。该换热器结构简单、操作方便、介质和工艺适应性强，可广泛用于太阳能热利用、中低温工业余热回收、移动供热等领域。

Description

管壳式多功能相变储能换热器

技术领域

本实用新型涉及蓄热式换热领域，特别是涉及一种热能存储与释放的管壳式多功能相变储能换热器。

背景技术

当今，能源的使用在依赖化石燃料供能的同时也逐步向着能源多元化、清洁化的方向发展，人们日益重视怎样将不同形式的能量以可以使用的方式储存起来，并在能源供不应求时又以环保的形式释放出来满足需求。储能技术对能源的供给、能源可持续发展起着重要作用。目前研究开发得较为广泛的储能技术主要集中在热能储存和电能储存方面，这些技术广泛应用于太阳能高温储能、电力移峰填谷、工业废热和余热回收、工业与民用建筑和空调节能等领域。相变储能技术是热能储存技术中发展很快的一种新兴技术，其实用化过程中重要的一环就是相变储能换热器的设计。相变储能换热器是一种集储热和换热功能于一身的相变储能换热装置。

近年来，随着人们节能意识的不断增强，一些新型相变储能换热设备相继出现，并越来越广泛地应用于太阳房、建筑节能系统、蓄冷空调系统和余热回收系统。中国专利CN103148723A公布了一种金属网基波纹管式相变蓄热装置；中国专利CN 203274570U公布了一种具有软管式换热器的相变储热单元；中国专利CN103900404A公布了一种供热稳定的板式相变蓄热换热器。这些相变储能换热器的一个共同特征是，换热管或者换热板的一侧填充相变材料，另一侧作为换热流体的通道，储热流体和取热流体交替流过相同的管路或异形流道。这类相变储能换热器只适用于间歇储热和取热，且储热流体与取热流体可以直接接触的场合。

中国专利申请CN102829661A公开了一种分级相变蓄热装置，该装置的蓄热管由内管和外管组成套管式，内管和外管之间由翅片支撑，翅片分割的空间内填充相变蓄热材料。但该装置的蓄热管的内管走储热流体，进行储热，蓄热管外管外壁面与取热流体接触，进行放热，取热侧承压能力低，整个装置的介质和工艺适应性不强。中国专利CN202547463U公开了一种三套管式相变蓄热换热器，该换热器由三根直径不同的管道同心套合构成，从内到外分别形成一个圆形通道和两个环形通道，中间的环形通道中填装相变储热材料，套管之间加肋片起支撑和强化传热作用。该三套管式相变蓄热换热器结构不紧凑，当要求的储热量和传热面积较大时，需要的三套管总长度很长，占用空间较大。

实用新型内容

基于上述现有技术所存在的问题，本实用新型提供一种管壳式多功能相变储能换热器，其结构紧凑、操作方便、承压能力大、介质和工艺适应性强，而且相变储热材料蓄热密度高。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种管壳式多功能相变储能换热器，包括：

壳体、管箱、封头、两块管板、若干双层套管换热管、折流元件、管程流体通道接管一、管程流体通道接管二、壳程流体通道接管一和壳程流体通道接管二；其中，

所述双层套管换热管，该双层套管换热管由内层管和外层管套装而成，所述内层管与外层管之间设置金属支承结构，所述外层管与所述内层管之间的环形空间内装填相变储能材料，所述内层管与外层管之间的环形空间的两端设置密封组件进行密封；

所述若干双层套管换热管的两端分别固定在所述两块管板上，两块管板分别通过法兰与所述管箱和封头相连接，所述壳体、管板与各双层套管换热管外层管外壁面之间的空间为壳程流体流动的壳程流体通道，所述管箱、封头与各双层套管换热管的内层管内的空间为管程流体流动的管程流体通道；

所述折流元件，设在所述壳程流体通道内，使所述壳程流体通道内形成湍流通道；

所述壳体、管箱和封头外均设有保温层；

所述管程流体通道接管一和管程流体通道接管二分别设在所述管箱上，该管程流体通道接管一和管程流体通道接管二与管程流体通道连通；

所述壳程流体通道接管一和壳程流体通道接管二分别设在所述壳体上，该壳程流体通道接管一和壳程流体通道接管二与壳程流体通道连通。

本实用新型的有益效果为：通过在多根平行布置的双层套管换热管上设置折流元件，并将双层套管换热管的两端固定在两块管板上，构成管束，该管束两端通过两个法兰分别与管箱和封头连成一体，形成的管程流体和壳程流体互不接触、均能与相变储能材料进行热交换、相变储能材料可以更换的结构，具有结构紧凑，操作方便和承压能力大的优点，而且介质和工艺适应性强，相变储热材料蓄热密度高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本实用新型实施例的管壳式多功能相变储能换热器的结构示意图；

图2a是本实用新型实施例的管壳式多功能相变储能换热器的双层套管的环形空间的金属支承结构的纵截面示意图；

图2b是本实用新型实施例的管壳式多功能相变储能换热器的双层套管的环形空间的一种金属支承结构的横截面示意图；

图2c是本实用新型实施例的管壳式多功能相变储能换热器的双层套管的环形空间的另一种金属支承结构的横截面示意图；

图3a是本实用新型实施例的管壳式多功能相变储能换热器的套管端部的焊接金属环密封结构及外层管与管板连接示意图；

图3b是本实用新型实施例的管壳式多功能相变储能换热器的套管端部的可拆式螺纹连接密封结构及外层管与管板连接示意图；

图3c是本实用新型实施例的管壳式多功能相变储能换热器的套管端部的可拆式填料函密封结构及外层管与管板连接示意图；

图中各标号对应的部件为：1-管箱，2-壳体，3-封头，41-管程流体通道接管一，42-管程流体通道接管二，51-壳程流体通道接管一，52-壳程流体通道接管二，6-管板，71-双层套管的外层管，72-双层套管的内层管，8-双层套管的内外层管之间的金属支架，9-相变储能材料，10-双层套管环形空间端部的密封组件，11-折流元件。

具体实施方式

下面对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种管壳式多功能相变储能换热器，包括：壳体、管箱、封头、两块管板、若干双层套管换热管、折流元件、管程流体通道接管一、管程流体通道接管二、壳程流体通道接管一和壳程流体通道接管二；

其中，各双层套管换热管结构一致，每根双层套管换热管由内层管和外层管套装而成，内层管与外层管之间设置金属支承结构，外层管与内层管之间的环形空间内装填相变储能材料(如图2a所示)，双层套管换热管的内层管与外层管之间的环形空间的两端设置密封组件进行密封(如图3a、3b、3c)；

若干双层套管换热管的两端分别固定在两块管板上，各双层套管的外层管与管板之间可采用焊接、焊接加胀接等形式进行固定连接，各双层套管换热管之间平行设置形成管束，两块管板分别通过法兰与管箱和封头相连接，壳体、管板与各双层套管换热管外层管外壁面之间的空间为壳程流体流动的壳程流体通道，管箱、封头与各双层套管换热管的内层管内的空间为管程流体流动的管程流体通道；管板是用于固定双层套管换热管的有一定厚度的平板，管板上面有很多管孔，管孔内径与各双层套管换热管的外层管的外径匹配，用来固定双层套管换热管，两块管板分别通过法兰与管箱和封头相连接。

折流元件，设在壳程流体通道内，使壳程流体通道内在各折流元件作用下形成湍流通道；优选的，折流元件可以为多个，交错分布沿壳程流体通道长度方向设在壳程流体通道内，使壳程流体通道内在各折流元件作用下形成湍流通道；

壳体、管箱和封头外均设有保温层，以防止管程和壳程流体向周围环境散失热量。

管程流体通道接管一和管程流体通道接管二分别设在管箱上，该管程流体通道接管一和管程流体通道接管二与管程流体通道连通。

壳程流体通道接管一和壳程流体通道接管二分别设在壳体上，该壳程流体通道接管一和壳程流体通道接管二与壳程流体通道连通。

上述换热器中，外层管与内层管之间的金属支承结构为十字形支架(如图2b所示)、翅片形支架(如图2c所示)、螺旋形支架或它们的组合。通过在双层套管换热管的内、外层管之间的环形空间内设置金属支承结构，可保持内、外层管同心，且提高热能在相变储能材料中的传递速率。

上述换热器中，两个管板分别位于各双层套管换热管的两端，用于固定多根双层套管换热管形成管束，各管板与各双层套管换热管的外层管固定连接，如通过焊接、胀接或焊接加胀接等方式固定连接。双层套管换热管的内层管与外层管之间的环形空间的两端设置的密封组件为以下中的至少一种：金属环密封件(如图3a所示)、螺纹连接密封件(如图3b所示)、填料函结构密封件(如图3c所示)，可以组合使用多种密封组件。各种密封组件的密封方式为：采用金属环密封件为焊接密封，采用螺纹连接密封件为可拆卸式螺纹连接密封，采用填料函结构密封件为可拆卸式填料函结构密封。通过密封组件对双层套管换热管的环形空间两端进行密封连接，可保证相变储能材料不泄露，阻止管程带压流体进入双层套管换热管的环形空间，特别是采用后两种拆卸的密封方式能够实现对相变储能材料进行更换。根据应用场合不同，该双层套管换热管中可以分别填充液态可流动的、粉末状的、固体块状等不同类型的相变材料，相变材料能得到有效密封，不会泄漏到储热流体、取热流体中；当采用可拆式螺纹连接密封结构、可拆式填料函密封结构对相变材料进行密封时，相变材料可以更换；这种结构的双层套管换热管可以预先独立制作好，然后进行管束装配，继而进行整个换热设备的组装。

上述换热器中，双层套管换热管的内层管与外层管之间的环形空间内所填充的相变储能材料采用：相变微胶囊悬浮液、相变材料乳状液、相变微胶囊粉末、块状相变材料中的任一种。相变储能材料优选相变微胶囊悬浮液，次选相变材料乳状液，再次可选相变微胶囊粉末，还可选择块状相变材料。选择块状相变材料时，双层套管换热管环形空间不能完全填满，需留一定的自由空间，以适应相变材料固液相转变时体积的变化。

上述换热器中，储热流体是气态介质、液态介质或气液混合介质；通过阀门切换可使储热流体走管程流体通道、走壳程流体通道或同时走管程和壳程流体通道，以加快储热速率、缩短储热时间。优选的，储热流体经过换热器的壳程流体通道，可从壳程流体通道接管一流入，从壳程流体通道接管二流出。

上述换热器中，取热流体是气态介质、液态介质或气液混合介质；通过阀门切换可使取热流体走管程流体通道、走壳程流体通道或同时走管程和壳程流体通道，以加快取热速率、缩短取热时间。优选的，取热流体经过换热器的管程流体通道，可从管程流体通道接管一流入，从管程流体通道接管二流出。

上述换热器中，壳体上设有固定支架，可方便换热器固定使用；

或壳体上设有移动式支架，如设有滚轮的支架，可以方便换热器移动到需要的场合使用。

上述换热器的规格尺寸根据要求的蓄热量大小以及单位质量相变材料的储热量确定。

本实用新型的管壳式多功能相变储能换热器是在一个壳体中设置多根双层套管换热管，壳体与多根双层套管换热管形成可以流动取热流体或者储热流体的壳程流体通道，其与用一个直径较大的管子包含一根双层套管的结构型式相比，单位体积内传热面积更大，当需要的总传热面积相同时，采用本实用新型换热器结构，设备整体会更加紧凑，体积、重量、金属消耗量等都会大大减小；本实用新型的壳体中有增加湍流程度的折流元件，可强制壳程流体垂直流过每一根双层套管换热管的外壁面，从而强化壳程侧的传热过程。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型换热器作进一步说明。

如图1所示，管壳式多功能相变储能换热器，包括：管箱1、壳体2、封头3、双层套管换热管70、管板6、折流元件11、管程流体通道接管一、二41、42、壳程流体通道接管一、二51、52、内层管71、外层管72、双层套管内外层管之间的金属支架8、填充在双层套管换热管的内、外层管之间的相变储能材料9和双层套管换热管的环形空间端部的密封组件10，该换热器采用双层套管换热管，在双层套管的内外层管之间设置支承结构，保持内外层管同心。在双层套管内外层管之间的环形空间填充相变储能材料，在双层套管换热管的环形空间的两端选择焊接金属环密封、可拆式螺纹连接、可拆式填料函结构中的一种或多种进行密封，保证相变储能材料不泄露，阻止管程带压流体进入双层套管换热管环形空间，采用后两种方便拆卸的密封方式能够实现对相变储能材料的更换。

换热器壳体上设有作为壳程流体的进口和出口接管(即壳程流体通道接管一、二51、52)，管箱上设有作为管程流体的进口和出口接管(即管程流体通道接管一、二41、42)，管壳式多功能相变储能换热器的壳体、管箱和封头外侧均设置保温层。

上述管壳式多功能相变储能换热器的尺寸、相变材料的相变温区、蓄热能力、蓄放热速率适用于下述之一：建筑物、化工装置的循环水冷却系统、油田废水余热回收系统、太阳能热储存系统、低温装置等。

该换热器一次完整的使用过程包括两个阶段：储热阶段和取热阶段。储热时，储热流体从壳程或者管程流过，通过双层套管的最外层壁面或者最内层壁面，将热能传递给双层套管环形空间的相变储能材料；相变储能材料熔化，主要以潜热形式将接收到的热能储存起来。取热时，取热流体从管程或者壳程流过，通过双层套管的最内层壁面或者最外层壁面，将热能从双层套管环形空间的相变储能材料中取走；相变储能材料凝固，将之前储存的热能释放出来。当储热流体和取热流体为同一种介质，可以相互接触时，储热流体可以同时走壳程和管程，从双层套管的最外层壁面和最内层壁面同时向双层套管环形空间中的相变储能材料供热，加快储热速率，缩短储热时间；取热流体也可以同时走壳程和管程，从双层套管的最外层壁面和最内层壁面同时从双层套管环形空间中的相变储能材料取热，加快取热速率，缩短取热时间。

利用该管壳式多功能相变储能换热器进行储热和取热，有以下三种基本情形：

(1)储热流体走壳程，取热流体走管程；

(2)储热流体走管程，取热流体走壳程；

(3)储热流体同时走管程和壳程，进行快速储热，之后通过管路切换使取热流体同时走管程和壳程，进行快速取热。

下面以第一种情形为例阐述该管壳式多功能相变储能换热器的工作原理，对于其它两种情形，工作原理相似，不再赘述。

储热时，储热流体(来自于太阳能利用装置、副产热能的工业装置、需要回收余热的排放管线等，储热流体可以是液体、气体或多相流体，储热流体温度高于相变储能材料的相变温度)通过壳程流体通道51进入换热器壳体2，在管束和壳体的共同约束下，充分流过双层套管的外层管71的外壁面，将热量通过外层管71的金属层和双层套管内外层管之间的金属支架8传递给相变储能材料9，相变储能材料9中的储能元素由固态逐渐变为液态，使热能不断转化为潜热储存起来，储热流体自身从壳程流体通道52流出。经过一段时间后，相变储能材料9中的储能元素全部融化成液态，实现潜热储存的最大化，停止储热流体的进出。

取热时，使取热流体(来自于需要热能的装置、生活热水供应装置、移动供热系统等，取热流体可以是液体、气体或多相流体，取热流体温度低于相变储能材料的相变温度)从管程流体通道41和42进入和离开换热器，在此期间，取热流体通过双层套管的内层管72和双层套管内外层管之间的金属支架8从相变储能材料9中取热，取热流体自身温度不断升高，而相变储能材料9中的储能元素逐渐凝固，直至储能元素全部凝固后，潜热释放过程结束。储热和取热过程可多次循环进行，直至相变储能材料9的潜热储存能力显著下降，达到寿命期为止。

本实用新型的管壳式多功能相变储能换热器具有结构简单、操作方便、承压能力大、介质和工艺适应性强和相变储热材料蓄热密度高的优点，并避免上述专利所公开的不同相变储能换热装置的缺点和弊端，可广泛用于太阳能热利用、中低温工业余热回收、移动供热等领域。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种管壳式多功能相变储能换热器，其特征在于，包括：

壳体、管箱、封头、两块管板、若干双层套管换热管、折流元件、管程流体通道接管一、管程流体通道接管二、壳程流体通道接管一和壳程流体通道接管二；其中，

所述双层套管换热管，该双层套管换热管由内层管和外层管套装而成，所述内层管与外层管之间设置金属支承结构，所述外层管与所述内层管之间的环形空间内装填相变储能材料，所述内层管与外层管之间的环形空间的两端设置密封组件进行密封；

所述若干双层套管换热管的两端分别固定在所述两块管板上，两块管板分别通过法兰与所述管箱和封头相连接，所述壳体、管板与各双层套管换热管外层管外壁面之间的空间为壳程流体流动的壳程流体通道，所述管箱、封头与各双层套管换热管的内层管内的空间为管程流体流动的管程流体通道；

所述折流元件，设在所述壳程流体通道内，使所述壳程流体通道内形成湍流通道；

所述壳体、管箱和封头外均设有保温层；

所述管程流体通道接管一和管程流体通道接管二分别设在所述管箱上，该管程流体通道接管一和管程流体通道接管二与管程流体通道连通；

所述壳程流体通道接管一和壳程流体通道接管二分别设在所述壳体上，该壳程流体通道接管一和壳程流体通道接管二与壳程流体通道连通。

2.根据权利要求1所述的管壳式多功能相变储能换热器，其特征在于，所述外层管与内层管之间的金属支承结构为十字形支架、翅片形支架、螺旋形支架或它们的组合。

3.根据权利要求1或2所述的管壳式多功能相变储能换热器，其特征在于，所述双层套管换热管的外层管与两端设置的所述两块管板固定连接；

所述双层套管换热管的内层管与外层管之间的环形空间的两端设置的密封组件为以下中的至少一种：金属环密封件、螺纹连接密封件、填料函结构密封件。

4.根据权利要求3所述的管壳式多功能相变储能换热器，其特征在于，所述密封组件的密封方式为：采用金属环密封件为焊接密封，采用螺纹连接密封件为可拆卸式螺纹连接密封，采用填料函结构密封件为可拆卸式填料函结构密封。

5.根据权利要求1或2所述的管壳式多功能相变储能换热器，其特征在于，所述双层套管换热管的内层管与外层管之间的环形空间内所填充的相变储能材料采用：

相变微胶囊悬浮液、相变材料乳状液、相变微胶囊粉末、块状相变材料中的任一种。

6.根据权利要求1或2所述的管壳式多功能相变储能换热器，其特征在于，储热流体是气态介质、液态介质或气液混合介质；

所述储热流体经过的通道为：管程流体通道、壳程流体通道或同时经过管程流体通道和壳程流体通道。

7.根据权利要求1或2所述的管壳式多功能相变储能换热器，其特征在于，取热流体是气态介质、液态介质或气液混合介质；

所述取热流体经过的通道为：管程流体通道、壳程流体通道或同时经过管程流体通道和壳程流体通道。

8.根据权利要求1或2所述的管壳式多功能相变储能换热器，其特征在于，所述壳体上设有固定支架；

或所述壳体上设有移动式支架。

9.根据权利要求1或2所述的管壳式多功能相变储能换热器，其特征在于，所述管板为平板结构，所述管板上设有若干管孔，所述管孔内径与各双层套管换热管的外层管的外径匹配。