CN208091281U - 一种管壳式相变蓄热器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种管壳式相变蓄热器，包括壳体和设置于壳体内的管体，管体和壳体水平设置，壳体和管体之间填充有相变材料，壳体和管体均为椭圆形，壳体的长轴与管体的短轴重合；管体外壁上设有肋片，肋片为直肋，多个肋片均匀分布在管体短轴所在平面以下的管体外壁上，肋片的径向长度沿管体短轴至长轴方向逐渐减小，本实用新型利用竖向椭圆内管及水平椭圆外壳形成的蓄热装置以及径向尺寸渐变、周向不均匀分布肋片相结合的方式，改善了自然对流作用下装置内材料融化的竖向不均匀性，消除了蓄热器下部的传热及融化死角；在保证蓄热密度的前提下，进一步缩短蓄热时间，增大单位时间的蓄热量。
Description
技术领域
本实用新型属于相变储能及强化传热技术领域，涉及一种管壳式相变蓄热器。
背景技术
能量供需常存在时间、空间及强度上的不匹配，例如太阳能、工业窑炉的间歇运行等，储能系统通过利用特定手段将过余能量储存起来并在需要的时候将其释放，有效解决上述问题的同时，更在一定程度提高能源利用效率。
基于相变材料物相转换的相变蓄热技术，因储能密度高、温度波动小、过程易于控制等优点而成为最具发展前景的热能储存技术。但是，由于大多数相变材料存在导热系数低、换热性能差的缺点，导致绝大多数的相变蓄热系统都离不开强化传热措施。
各储能领域中，管壳式相变蓄热器占到总量的70％以上，对于该类蓄热器，最常用的强化传热措施是添加肋片，旨在扩展相变材料与冷/热源的接触面积，以弥补相变材料导热系数低的不足。但是，在蓄热装置体积一定时，肋片的加入会降低装置的蓄热密度。加之现阶段相变蓄热器体积小、重量轻、造价低的发展趋势。那么，蓄热器体积一定时，高导热材料即肋片的形状及其分布则会直接影响并决定蓄热器的热性能。目前，常用肋片为等截面的均匀肋片，虽在一定程度实现了强化传热，但由于未考虑肋片形状与相变材料融化特性的匹配，因而强化传热效果有待提高。
发明内容
针对现有制备技术的缺陷和不足，本实用新型的目的是提供一种带有肋片的管壳式相变蓄热器，可用于太阳能、工业余/废热的高效热回收，解决现有蓄热器蓄热时间长、传热强度低的问题。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案予以实现：
一种管壳式相变蓄热器，包括壳体和设置于壳体内的管体，所述的壳体和管体之间填充有相变材料，所述的管体外壁上设有肋片，
所述的壳体和管体均沿水平方向，所述的壳体和管体均为椭圆形，所述的壳体的长轴与管体的短轴重合，壳体的短轴与管体的长轴重合；
所述的肋片为直肋，所述的肋片有多个，多个肋片均匀分布在管体短轴所在平面以下的管体外壁上；所述的肋片的径向长度沿管体短轴至长轴方向逐渐减小，多个肋片关于管体的长轴对称。
进一步的，所述的壳体的长轴与短轴的长度比为1.5:1，所述的管体的长轴与短轴的长度比也为1.5:1。
进一步的，沿管体自下向上分布的多个肋片与管体长轴之间的夹角分别为5°、25°、50°和90°。
进一步的，所述的壳体的外壁面覆盖保温层。
进一步的，所述的相变材料为脂肪酸、石蜡或水合盐等；
进一步的，所述的管体及其肋片为铜、铝等高导热性金属材料，壳体为不锈钢等高强度性金属材料。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
对于水平方向的蓄热器，本实用新型考虑了蓄热过程中自然对流作用下相变材料融化的竖向不均匀性，利用水平椭圆形外壳、竖向椭圆形管体和径向尺寸渐变、周向不均匀分布的肋片等若干方式的组合，弥补了壳体内不同位置固相材料熔化速率的差异，避免了蓄热器下部的传热及融化死角；在保证蓄热密度的前提下，进一步缩短蓄热时间，增大单位时间的蓄热量。本实用新型在改善蓄热装置热性能的同时，并未增大蓄热装置的体积及重量。
与传统的管壳式蓄热器相比，本实用新型蓄热器的蓄热时间可缩短30％左右。
附图说明
图1为本实用新型构件的整体结构示意图。
图2为本实用新型的管体的结构示意图。
图3为实施例1的蓄热器在蓄热过程不同时刻下的相界面分布图，(a)50s，(b)200s，(c)500s，(d)550s。
图4是实施例2的蓄热器在蓄热过程不同时刻下的相界面分布图，(a)50s，(b)200s，(c)500s，(d)600s。
图5是实施例3的蓄热器在蓄热过程不同时刻下的相界面分布图，(a)50s，(b)200s，(c)500s，(d)600s。
图6为对比例1的蓄热器在蓄热过程不同时刻下的相界面分布图，(a)50s，(b)200s，(c)500s，(d)700s。
附图中各标号的含义：1-壳体，2-管体，3-肋片。
以下结合实施例对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
相变蓄热过程是同时涉及导热、对流的复杂传热过程。蓄热过程中，越来越多的固相材料融化成为液相，蓄热过程的传热机制也从热传导转化为导热及自然对流的共同作用，且绝大多数蓄热过程中自然对流的作用不可忽视。自然对流作用下固相材料的融化特性与热传导作用下完全不同，这导致蓄热过程各阶段固相材料融化特性的差异，而装置的几何形状会在一定程度上影响蓄热过程的传热及材料融化特性。添加肋片强化传热，是导热及自然对流共同作用的结果。一方面，高导热性肋片扩展了固相材料与冷/热源的接触面积，增加热传导的作用；另一方面，肋片会在一定程度上限制自然对流作用的产生及发展，削弱传热强度。因而，在蓄热装置及肋片体积一定的条件下，优化装置的几何形状、肋片的几何参数及分布尤为必要。
本实用新型的蓄热器沿水平方向设置，即壳体轴线与管体轴线均沿水平方向。具体的，如图1所示，本实用新型的管壳式相变蓄热器，包括壳体1和设置于壳体1内的管体2，壳体1的轴线与管体2的轴线重合，壳体1和管体2之间填充有相变材料，壳体1和管体2均为椭圆形，壳体1的长轴与管体2的短轴重合；管体2外壁上设有肋片3，如图2所示，肋片3为直肋，肋片3有多个，多个肋片3均匀分布在管体2短轴所在平面以下的管体2外壁上，肋片3的径向长度沿管体2短轴至长轴方向逐渐较小，这多个肋片3关于管体1的长轴对称。本实用新型考虑了蓄热过程中自然对流作用下相变材料的不均匀融化特性，利用水平椭圆形外壳、竖向椭圆形管体和径向尺寸渐变的肋片以及三者的布置方式的优化，弥补了壳体内不同位置固相材料熔化速率的差异，避免了蓄热器下部形成传热及融化死角；在保证蓄热密度的前提下，进一步缩短蓄热时间，增大单位时间的蓄热量。
优选的，壳体的长轴与短轴的长度比为1.5:1，管体的长轴与短轴的长度比也为1.5:1。
优选的，沿管体自下向上共分布有8个肋片，以管体长轴为对称中心，管体的两个对称面上分别设置有4个肋片，这四个肋片自下向上与管体长轴之间的夹角分别为5°、25°、50°和90°。
本实用新型的壳体1和管体2之间的相变材料可以是脂肪酸、石蜡等有机类材料，也可以是水合盐等无机类材料，通过相变材料的固-液相变完成蓄热。
本实用新型的管体2中的传热流体可以是高温水、高温蒸汽等携带大量热能、且温度高于相变材料熔点的高温流体。
本实用新型的管体及分布在管体上的肋片为铜、铝等高导热性金属材料，外侧壳体为不锈钢等高强度性金属材料。
以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例中，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。
实施例1
如图1至图2所示，本实施例给出管壳式相变蓄热器，包括壳体1和设置于壳体1内的管体2，壳体1的轴线与管体2的轴线重合，壳体1和管体2之间填充有相变材料，管体2外壁上设有肋片3；壳体1和管体2均为椭圆形，壳体1的长轴与管体2的短轴重合；肋片3为直肋，肋片3有8个，8个肋片3均匀分布在管体2短轴所在平面以下的管体2外壁上，肋片3的径向长度沿管体2短轴至长轴方向逐渐较小，这8个肋片3关于管体1的长轴对称。其中，椭圆管体2的长轴半径为18.375mm，短轴半径为12.25mm；椭圆壳体1的长轴半径为36.75mm，短轴半径为24.5mm；自下向上右侧的四个肋片与管体的长轴(即图1中的y轴)的夹角分别为5°，25°，50°及90°，对应的肋片高度分别为5.5mm，5.5mm，10mm及19mm，肋宽2mm。
图3(a)～(d)为本实施例的蓄热器在蓄热过程中50s、200s、500s、550s下获得的相界面分布图，图中白色边缘为相变材料的熔化边缘。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：自下向上右侧的四个肋片与与管体的长轴(即图1中的y轴)的夹角为5°，25°，50°及75°，图4(a)～(d)为本实施例的蓄热器在蓄热过程中50s、200s、500s、600s下获得的相界面分布图，图中白色边缘为相变材料的熔化边缘。可以看出，本实施例的蓄热装置内的传热和融化死角转移至装置的中上部，蓄热时间较实施例1增长。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：自下向上肋片高度分别为6.15mm，6.15mm，12mm及15.7mm，图5(a)～(d)为本实施例的蓄热器在蓄热过程中50s、200s、500s、600s下获得的相界面分布图，图中白色边缘为相变材料的熔化边缘。可以看出，本实施例相对实施例1增大了装置最底部的肋片高度，同时水平肋片的径向尺寸减小，装置的总蓄热时间较实施例1增加。
对比例1
本对比例的外壳与管体均为圆柱形，其中，管体的半径15mm，壳体半径30mm，8个等高肋片均为15mm高，2mm宽。图6(a)～(d)所示为本对比例的蓄热器在蓄热过程中50s、200s、500s、700s下获得的相界面分布图。
综合图3(a)～(d)和图6(a)～(d)可以看出，本实用新型的蓄热器在550s左右蓄热材料几乎已全部融化，而传统的蓄热器在700s时固相蓄热材料还有剩余。再结合具体实验数据，实施例1的蓄热器的蓄热时间为533s，对比例1的蓄热时间为758s，本实用新型的蓄热装置的蓄热时间相对减少30％。
Claims (6)
1.一种管壳式相变蓄热器，包括壳体(1)和设置于壳体(1)内的管体(2)，所述的壳体(1)和管体(2)之间填充有相变材料，所述的管体(2)外壁上设有肋片(3)，其特征在于：
所述的壳体(1)和管体(2)均沿水平方向，所述的壳体(1)和管体(2)均为椭圆形，所述的壳体(1)的长轴与管体(2)的短轴重合，壳体(1)的短轴与管体(2)的长轴重合；
所述的肋片(3)为直肋，所述的肋片(3)有多个，多个肋片(3)均匀分布在管体(2)短轴所在平面以下的管体(2)外壁上；所述的肋片(3)的径向长度沿管体(2)短轴至长轴方向逐渐减小，多个肋片(3)关于管体(2)的长轴对称。
2.如权利要求1所述的管壳式相变蓄热器，其特征在于：所述的壳体的长轴与短轴的长度比为1.5:1，所述的管体的长轴与短轴的长度比也为1.5:1。
3.如权利要求1所述的管壳式相变蓄热器，其特征在于：沿管体自下向上分布的多个肋片与管体长轴之间的夹角分别为5°、25°、50°和90°。
4.如权利要求1所述的管壳式相变蓄热器，其特征在于：所述的壳体(1)的外壁面覆盖保温层。
5.如权利要求1所述的管壳式相变蓄热器，其特征在于：所述的相变材料为脂肪酸、石蜡或水合盐。
6.如权利要求1所述的管壳式相变蓄热器，其特征在于：所述的管体(2)及其肋片(3)为铜、铝高导热性金属材料，壳体(1)为不锈钢高强度性金属材料。
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|---|---|---|---|---|
| CN110160181A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-08-23 | 国网甘肃省电力公司经济技术研究院 | 椭圆弯管蓄冷相变材料装置 |
| CN110500909A (zh) * | 2019-08-07 | 2019-11-26 | 东南大学 | 一种水平管壳式储能换热器 |
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2018
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