CN206095016U - 一种斗形相变蓄热构件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种斗形相变蓄热构件，所述斗形相变蓄热构件是由与热源直接接触的环绕呈斗形的受热侧壁、沿所述受热侧壁上沿设置的绝热顶面及沿所述受热侧壁下沿设置的绝热底面围成的中空腔体。本实用新型提供的斗形相变蓄热构件，其传热死角小且蓄热速度快。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种蓄热构件，特别涉及一种用于热能回收、储热系统的蓄热构件。
背景技术
日趋紧张的能源现状及用能过程中产生的环境污染促使人们一方面逐渐向太阳能等清洁型能源的利用转变，另一方面，又不断设法提高工业、民用等各部门的能源利用效率，即回收各种可利用的热能。以工业部门为例，目前工业炉窑的热利用率极低，一般为20％～50％，这表明各种余热、废热的回收将具有良好的发展前景。但这类余热、废热具有一个共同点，即时间上的不稳定性，这会直接导致供能与用能时间上的不匹配。为此，热能存储装置应运而生，其作用是在供能充足时将暂时多余的热能存储起来，等到需要时再释放以供利用。
常见的热能存储方式包括显热蓄热和潜热(相变)蓄热两种。前者是利用储热物质的温升进行能量存储，后者则是通过蓄热物质相态的转变实现热能存储。相比于显热蓄热，相变蓄热因单位体积蓄热量大，蓄热过程中温度恒定且采用不同温度范围的相变材料可与实际需求相匹配等优点而受到关注，其被应用于余热回收、电力调峰、建筑节能及电子器件的冷却等众多方面。
管壳式蓄热器(相变材料封装在圆柱形构件内)作为潜热蓄热的代表性蓄热构件，其因单位体积的热损失小而在储能领域中被广泛应用。但是，该类装置也存在一个致命的缺点：即针对绝大多数的相变材料(尤其是有机类材料)，由于材料的导热系数太小，导致蓄热过程中蓄热器内均存在传热死角，使蓄热速率大为降低，在一定程度上限制了该类相变蓄热装置的发展与应用。
综上所述，一种传热死角小、蓄热速率快的相变蓄热构件亟待开发。
实用新型内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种传热死角小且蓄热速度快的相变蓄热构件。
为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种斗形相变蓄热构件，所述斗形相变蓄热构件是由与热源直接接触的环绕呈斗形的受热侧壁、沿所述受热侧壁上沿设置的绝热顶面及沿所述受热侧壁下沿设置的绝热底面围成的中空腔体。
优选地，所述绝热顶面上还设有用于向所述中空腔体内充填相变材料的填充口，所述相变材料为低导热系数的有机类相变材料。
优选地，所述相变材料为石蜡或脂肪酸。
优选地，所述受热侧壁采用铜板制成，所述绝热顶面及所述绝热底面采用不锈钢制成，所述绝热顶面及所述绝热底面外还设有保温层。
优选地，所述绝热顶面及所述绝热底面均呈圆形，所述绝热顶面直径大于所述绝热底面直径，所述相变蓄热构件的高度大于所述绝热顶面直径与所述绝热底面直径的平均值，所述绝热顶面直径及所述绝热底面直径的比值为3～4。
优选地，沿所述受热侧壁内壁面对称地环设有四片第一导流片，且于所述绝热顶面底部中心也对称地环设有四片第二导流片，所述第一导流片及所述第二导流片均向下伸出。
优选地，所述第一导流片与所述受热侧壁内壁所形成的夹角为30～45°，所述第一导流片设于所述受热侧壁内距离绝热底面1/2～2/3处。
优选地，所述第二导流片与所述绝热顶面夹角为60～75°。
优选地，所述第一导流片与所述第二导流片的长度均为所述绝热底面直径的1/4～1/3。
优选地，所述第一导流片及所述第二导流片均呈波浪形。
如上所述，本实用新型所述的斗形相变蓄热构件具有以下有益效果：
1、本实用新型的斗形相变蓄热构件，相比于传统的圆柱形相变蓄热构件，熔化速率加快，单位时间的蓄热量增加；
2、通过蓄热构件结构的设计，改变了液相材料在构件内的运动轨迹，减小了蓄热构件内传热死角区域，提高了蓄热效率；
3、形状简单易于加工及固定；
4、可应用于定壁温、恒热流及相变材料与传热流体耦合换热三类边界条件，针对相变材料与传热流体耦合换热的情况，本实用新型更易于组装成各类相变蓄热器，根据实际工程的要求确定相变蓄热构件的个数。
附图说明
图1为本实用新型所述斗形相变蓄热构件的结构示意图；
图2为本实用新型实施例1中所述斗形相变蓄热构件在蓄热时间T＝720s时装置内的温度分布图；
图3为圆柱形相变蓄热构件在蓄热时间T＝720s时装置内的温度分布图；
图4为本实用新型实施例1所述斗形相变蓄热构件中不同时刻的相界面图；
图5为圆柱形构件内不同时刻的相界面图；
图6为本实用新型实施例1中针对不同n值的斗形相变蓄热构件，整个蓄热过程蓄热时间对比图；
图7为本实用新型实施例1中蓄热过程中不同n值的斗形相变蓄热构件热源上努塞尔特数平均值的对比图；
图8为本实用新型实施例2所述斗形相变蓄热构件的截面示意图；
图9为本实用新型实施例2所述第一导流片及第二导流片结构放大示意图；
图10为本实用新型实施例2中针对不同n值的斗形相变蓄热构件，整个蓄热过程蓄热时间对比图；
其中：受热侧壁-1；绝热顶面-2；绝热底面-3；相变材料-4；保温层-5；填充口-6；第一导流片-7；第二导流片-8。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。
请参阅图1～图10，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均仍应落在本实用新型所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“外”“内”“上”、“下”、“左”及“右”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，亦当视为本实用新型可实施的范畴。
实施例1：
如图1所示，为本实用新型提供的斗形相变蓄热构件，所述斗形相变蓄热构件是由与热源直接接触的环绕呈斗形的受热侧壁1、沿所述受热侧壁1上沿设置的绝热顶面2及沿所述受热侧壁1下沿设置的绝热底面3围成的中空腔体。
所述绝热顶面2上还设有用于向所述中空腔体内充填相变材料4的填充口6，所述的相变材料4为石蜡或脂肪酸中的一种。
所述绝热顶面2直径大于所述绝热底面3直径，所述相变蓄热构件的高度大于所述绝热顶面2直径与所述绝热底面3直径的平均值。
所述受热侧壁1由铜板制成，所述绝热顶面2及所述绝热底面3由不锈钢板制成。
所述绝热顶面2及所述绝热底面3外还设有保温层5。
对斗形相变蓄热构件及圆柱形相变蓄热构件进行比对：
为使结果准确，设定同等条件如下：设定斗形相变蓄热构件高15cm,上顶面及下底面均为圆形结构，上、下两圆形面的直径和为12cm，设定所述绝热顶面2直径及所述绝热底面3直径的比值为n；圆柱形相变蓄热构件的高为15cm，上、下两圆形面的直径均为6cm，斗形相变蓄热构件与圆柱形相变蓄热构件填充相同的相变材料4，且填充量一致。
从图2可以看出斗形相变蓄热构件内的温度分布情况，斗形相变蓄热构件上部积聚的高温液相相变材料4逐渐减少，整个构件内竖向的温度分层现象得到明显改善，沿高度方向的温度分布更加均匀。
从图3可以看出，圆柱形相变蓄热构件蓄热过程中，大量高温液相材料积聚在顶部，中间靠下位置处固相材料的熔化则受到极大的抑制。将图2与图3比较，则可以看出，斗形相变蓄热构件内的蓄热死角区域远远小于圆柱形相变蓄热构件。
将图4中斗形相变蓄热构件在不同时刻的相界面与图5中圆柱形相变蓄热构件内的相界面对比。也可明显看出，随着n值增大，整个蓄热过程中斗形相变蓄热构件内最难熔化的相变材料4位置逐渐脱离中轴线底端位置，并沿着竖向中轴线不断上升，这使得整个蓄热过程中的换热死角得到有效减小。
通过图6、图7可以得出，将n＝5的斗形相变蓄热构件与圆柱形相变蓄热构件相比，n＝5的斗形相变蓄热构件的蓄热时间为775s，圆柱形相变蓄热构件的蓄热时间为1133s，蓄热时间缩短31.6％，热源上的平均努塞尔特数Nu增加22.8％。
实施例2：
如图8所示的斗形相变蓄热构件，所述绝热顶面2与所述绝热底面3为圆形，所述绝热顶面2直径大于所述绝热底面3直径，所述相变蓄热构件的高度大于所述绝热顶面2直径及所述绝热底面3直径平均值。所述受热侧壁1由铜板制成，所述绝热顶面2及所述绝热底面3均由不锈钢制成。所述绝热顶面2及所述绝热底面3外还设有保温层5。将相变材料4分层填充进斗形相变蓄热构件后，再将装置的顶面封合。相变材料4选用石蜡或脂肪酸。
如图8～图9所示，在所述受热侧壁1内壁的同一高度上还对称地环设有四片第一导流片7，围绕所述绝热顶面2底部中心同样地环设有四片对称分布的第二导流片8。所述第一导流片7及所述第二导流片8均向下倾斜设置。所述第一导流片7及第二导流片8均呈波浪形。
所述第一导流片7与所述受热侧壁1内壁所形成的夹角为30°～45°，所述第一导流片7设于所述受热侧壁1距底部1/2～2/3处。优选为，所述第一导流片7与所述受热侧壁1内壁所形成的夹角为40°，所述第一导流片7设于所述受热侧壁1距底部1/2处。
所述第二导流片8与所述绝热顶面2底部夹角为60°～75°，优选为70°。
所述第一导流片7与所述第二导流片8的长度均为所述绝热底面3直径的1/4～1/3，优选均为3/10。
设定所述绝热顶面2直径及所述绝热底面3直径的比值为n，T＝720s时斗形相变蓄热构件内已观察不到蓄热死角，其中，n＝3的斗形相变蓄热构件的蓄热时间为565s，n＝4的斗形相变蓄热构件的蓄热时间为550s。
通过图6和图10比较可以得出，实施例1中，n＝5的斗形相变蓄热构件的蓄热时间为775s，采用实施例2的n＝4的斗形相变蓄热构件的蓄热时间为550s，圆柱形未加导流片的相变蓄热构件的蓄热时间为1133s；采用实施例2的n＝4的斗形相变蓄热构件，蓄热时间较圆柱形未加导流片的相变蓄热构件缩短51.5％，采用实施例2的n＝4的斗形相变蓄热构件比实施例1的n＝5的斗形相变蓄热构件的蓄热时间缩短29.0％。
综合对比实施例1及实施例2，可知在斗形相变蓄热构件中加入导流片，可使蓄热时间有效缩短，蓄热死角快速消除。
导流片的设置方式直接决定了装置内相变材料4受热后所发生的流体行为，不同的导流片设置方式，得到的相变过程及蓄热时间都将不同，本案给出的导流片结构可以实现以实施例1斗形相变蓄热构件为基础的进一步改进，有效缩短蓄热时间，快速消除死角区域。未结合特定相变材料4(导热系数小)，随意设定导流片位置、尺寸及形状，均达不到本案所述的有益效果。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种斗形相变蓄热构件，其特征在于：所述斗形相变蓄热构件是由与热源直接接触的环绕呈斗形的受热侧壁、沿所述受热侧壁上沿设置的绝热顶面及沿所述受热侧壁下沿设置的绝热底面围成的中空腔体。
2.根据权利要求1所述的斗形相变蓄热构件，其特征在于：所述绝热顶面上还设有用于向所述中空腔体内充填相变材料的填充口，所述相变材料为低导热系数的有机类相变材料。
3.根据权利要求2所述的斗形相变蓄热构件，其特征在于：所述相变材料为石蜡或脂肪酸。
4.根据权利要求1所述的斗形相变蓄热构件，其特征在于：所述受热侧壁采用铜板制成，所述绝热顶面及所述绝热底面采用不锈钢制成，所述绝热顶面及所述绝热底面外还设有保温层。
5.根据权利要求1至4任一项所述的斗形相变蓄热构件，其特征在于：所述绝热顶面及所述绝热底面均呈圆形，所述绝热顶面直径大于所述绝热底面直径，所述相变蓄热构件的高度大于所述绝热顶面直径与所述绝热底面直径的平均值，所述绝热顶面直径及所述绝热底面直径的比值为3～4。
6.根据权利要求5所述的斗形相变蓄热构件，其特征在于：沿所述受热侧壁内壁面对称地环设有四片第一导流片，且于所述绝热顶面底部中心也对称地环设有四片第二导流片，所述第一导流片及所述第二导流片均向下伸出。
7.根据权利要求6所述的斗形相变蓄热构件，其特征在于：所述第一导流片与所述受热侧壁内壁所形成的夹角为30～45°，所述第一导流片设于所述受热侧壁内距离绝热底面1/2～2/3处。
8.根据权利要求7所述的斗形相变蓄热构件，其特征在于：所述第二导流片与所述绝热顶面夹角为60～75°。
9.根据权利要求8所述的斗形相变蓄热构件，其特征在于：所述第一导流片与所述第二导流片的长度均为所述绝热底面直径的1/4～1/3。
10.根据权利要求6至9任一项所述的斗形相变蓄热构件，其特征在于：所述第一导流片及所述第二导流片均呈波浪形。
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| CN201621078180.6U CN206095016U (zh) | 2016-09-26 | 2016-09-26 | 一种斗形相变蓄热构件 |
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|---|---|
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| CN201621078180.6U Withdrawn - After Issue CN206095016U (zh) | 2016-09-26 | 2016-09-26 | 一种斗形相变蓄热构件 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106247837A (zh) * | 2016-09-26 | 2016-12-21 | 苏州科技大学 | 一种斗形相变蓄热构件 |
| US11365941B2 (en) | 2018-10-29 | 2022-06-21 | Azelio Ab | Thermal energy storage assembly |
-
2016
- 2016-09-26 CN CN201621078180.6U patent/CN206095016U/zh not_active Withdrawn - After Issue
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| US11365941B2 (en) | 2018-10-29 | 2022-06-21 | Azelio Ab | Thermal energy storage assembly |
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