CN209763833U - 相变蓄热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种相变蓄热装置，所述相变蓄热装置包括：壳体，所述壳体限定出容纳腔，所述容纳腔内填充有相变介质，所述相变介质在液态时的密度小于所述相变介质在固态时的密度；多个沿竖向间隔开设置的换热管，所述换热管设置在所述相变介质中，且适于与外部管路连通，从下到上相邻的两个所述换热管之间的间距单调不变小，且最下方的两个所述换热管的间距小于最上方的两个所述换热管的间距。本实用新型实施例的相变蓄热装置，可直接减少相变蓄热装置内部的温度不均匀导致的材料失效问题，且同时兼顾了蓄热效率与储热容量。

Description

相变蓄热装置

技术领域

本实用新型属于储热技术领域，具体而言，涉及一种相变蓄热装置。

背景技术

相变蓄热装置在储热阶段将热量储存在装置内相变材料中，在供热阶段向热用户释放热量，可适用于低谷电利用、弃风弃光电能消纳、太阳能利用、居民电采暖等储热系统，具有提高能源利用效率、平衡热能供求和环境保护的重要意义。

相变蓄热装置通常含有换热装置，在储热阶段，换热装置将介质中的热量储存在相变材料中，相变材料由固态转变为液态，在相变过程中会储存大量的热能。在放热阶段，换热装置将相变材料中的热量重新传递到介质中，相变材料由液态转变为固态，在相变过程中会释放大量的热能。

相变蓄热装置的核心是相变材料，相变储热利用相变材料物相变化过程中吸收(释放)大量潜热以实现热量的储存和释放，具有相变潜热大、储热密度高、吸放热过程近似等温等优点，是目前最有效的储热方式之一。相变材料的储放热过程需要通过相变蓄热装置来实现，然而一般相变材料的导热率偏低，在整个储热装置中相变材料温度不均衡，一方面会造成储热装置的换热效率低，另一方面会导致材料的局部温度过高从而影响材料寿命。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

根据本实用新型实施例的相变蓄热装置，包括：壳体，所述壳体限定出容纳腔，所述容纳腔内填充有相变介质，所述相变介质在液态时的密度小于所述相变介质在固态时的密度；多个沿竖向间隔开设置的换热管，所述换热管设置在所述相变介质中，且适于与外部管路连通，从下到上相邻的两个所述换热管之间的间距单调不变小，且最下方的两个所述换热管的间距小于最上方的两个所述换热管的间距。

根据本实用新型实施例的相变蓄热装置，可直接减少相变蓄热装置内部的温度不均匀导致的材料失效问题，且同时兼顾了蓄热效率与储热容量。

本实用新型还提出了一种相变蓄热装置，从下到上相邻的两个所述换热管之间的间距单调增加。

本实用新型还提出了一种相变蓄热装置，分布于同一竖直面的多个所述换热管通过设置在端部的弯管首尾顺次相连为换热盘管。

本实用新型还提出了一种相变蓄热装置，所述换热盘管为多个，多个所述换热盘管沿水平方向间隔开分布。

本实用新型还提出了一种相变蓄热装置，还包括：第一母管，每个所述换热盘管的下部端口均与所述第一母管相连，所述第一母管设于所述容纳腔的下部；第二母管，每个所述换热盘管的上部端口均与所述第二母管相连，所述第二母管设于所述容纳腔的上部。

本实用新型还提出了一种相变蓄热装置，还包括：第一汇总管，所述第一汇总管与所述第一母管相连，且贯穿所述壳体以用于与外部管路连通；第二汇总管，所述第二汇总管与所述第二母管相连，且贯穿所述壳体以用于与外部管路连通。

本实用新型还提出了一种相变蓄热装置，所述第一汇总管与所述第一母管的连接位置、所述第二汇总管与所述第二母管的连接位置在所述第一母管或所述第二母管的长度方向对称布置。

本实用新型还提出了一种相变蓄热装置，所述换热盘管为4a+b个，b≤a，所述第一汇总管位于第a个所述换热盘管与第a+1个所述换热盘管之间，所述第二汇总管位于第3a+b个所述换热盘管与第3a+b+1个所述换热盘管之间。

本实用新型还提出了一种相变蓄热装置，所述第一汇总管与所述第一母管的连接位置位于所述第一母管长度的1/3至1/4位置处，所述第二汇总管与所述第二母管的连接位置位于所述第二母管长度的2/3至3/4位置处。

本实用新型还提出了一种相变蓄热装置，所述壳体包括：外壳和内胆，所述内胆限定出所述容纳腔，所述外壳罩设在所述容纳腔外，且所述外壳与所述内胆之间填充有保温层。

本实用新型还提出了一种相变蓄热装置，所述壳体的顶壁设有与所述容纳腔连通的排气孔，所述壳体的下部设有与所述容纳腔连通的排污孔。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型实施例的相变蓄热装置的侧面示意图；

图2是根据本实用新型实施例的相变蓄热装置的俯视图。

附图标记：

相变蓄热装置100，

壳体10，外壳11，内胆13，保温层15，排气孔17，排污孔19，

换热盘管30，换热管31，弯管33，

第一母管51，第二母管52，第一汇总管53，第二汇总管54，

相变介质70。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面参考图1-图2描述根据本实用新型实施例的相变蓄热装置100。

如图1-图2所示，根据本实用新型一个实施例的相变蓄热装置100包括：壳体10和换热管31。

其中，壳体10限定出容纳腔，在一些实施例中，壳体10包括：外壳11和内胆13，内胆13限定出容纳腔，外壳11罩设在容纳腔外，且外壳11与内胆13之间填充有保温层15，这样壳体10的防护能力和保温能力强。

容纳腔内填充有相变介质70，相变介质70在液态时的密度小于相变介质70在固态时的密度。壳体10的顶壁设有与容纳腔连通的排气孔17，壳体10的下部设有与容纳腔连通的排污孔19，在需要检修相变蓄热装置100时，开启排气孔17排气以排除容纳腔内的气体，防止容纳腔过压，开启排污孔19以排除容纳腔内积存的杂物。

换热管31设置在相变介质70中，换热管31适于与外部管路连通，比如每个换热管31可以贯穿壳体10以与外部管路连通，或者多个换热管31串联或并联后再贯穿壳体10以与外部管路连通。

换热管31包括多个，多个换热管31沿竖向间隔开设置，且从下到上相邻的两个换热管31之间的间距单调不变小，且最下方的两个换热管31的间距小于最上方的两个换热管31的间距。

这些间距从下到上分为多组，每组的间距均相等，从下到上各组的间距的单调增加。在一些实施例中，每组包括一个或多个间距，比如5个换热管31沿竖向间隔开设置，从下到上第1个与第2个换热管31的间距、第2个与第3个换热管31的间距相当，第3个与第4个换热管31的间距大于第2个与第3个换热管31的间距，第4个与第5个换热管31的间距大于第3个与第4个换热管31的间距。

当然，在一些实施例中，从下到上相邻的两个换热管31之间的间距单调增加。两个换热管31之间的间距可以是均匀变化的。最上方的两个换热管31的间距与最下方的两个换热管31的间距的比值小于2。

在容纳腔底部的换热管31之间的间距较小，在容纳腔顶部的换热管31之间的间距较大。

在蓄热阶段，热的换热介质通过相变蓄热装置100下部入水孔，进入换热管31，并与相变介质70换热，固态相变材料开始变成液态，随着相变蓄热装置100内液态相变材料的份额不断增加，由于液态相变密度小于固态相变材料密度，固态相变材料沉于相变蓄热装置100下方。相变蓄热装置100下方的换热管31间距较小，换热面积较大，提升了沉积在下方的固态相变材料的换热量，加快了熔化速率，且上方的换热管31间距较大，换热管31占用的总体积小，对应的相变介质70的体积大，在相变蓄热装置100体积一定的情况下，可以提供较大的储能容量。当相变蓄热装置100内固态相变储能材料全部熔化并升温至设定温度，则蓄热阶段结束。

在放热阶段，用户侧放热后的低温回水通过上部入水管流入相变蓄热装置100，与相变蓄热装置100内部的液态相变材料换热，相变蓄热装置100内凝固的固态相变材料增加，当相变蓄热装置100内液态相变储能材料全部凝固并降温至设定温度，则放热阶段结束。

也就是说，该相变蓄热装置100可直接减少相变蓄热装置100内部的温度不均匀导致的材料失效问题。同时，由于换热管31上下不均的分布特性，相变蓄热装置100内的固态相变材料可以得到更好的加热，提高蓄热效率。

根据本实用新型实施例的相变蓄热装置100，可直接减少相变蓄热装置100内部的温度不均匀导致的材料失效问题，且同时兼顾了蓄热效率与储热容量。

如图1所示，分布于同一竖直面的多个换热管31通过设置在端部的弯管33首尾顺次相连为换热盘管30，比如图1中从下往上第一根换热管31的右端通过一个弯管33与第二根换热管31的右端相连，第二根换热管31的左端通过一个弯管33与第三根换热管31的左端相连，……，依次连接。也就是说，分布于同一竖直面的多个换热管31串联连接，外部管路的换热介质从下向上流动。

如图2所示，换热盘管30为多个，多个换热盘管30沿水平方向间隔开分布，多个换热盘管30可以沿水平方向平行间隔开分布。

如图1和图2所示，相变蓄热装置100还包括：第一母管51、第二母管52、第一汇总管53、第二汇总管54。

每个换热盘管30的下部端口均与第一母管51相连，第一母管51设于容纳腔的下部，每个换热盘管30的上部端口均与第二母管52相连，第二母管52设于容纳腔的上部。第一汇总管53与第一母管51相连，且贯穿壳体10以用于与外部管路连通；第二汇总管54与第二母管52相连，且贯穿壳体10以用于与外部管路连通。

第一母管51和第二母管52平行间隔开设置，第一母管51和第二母管52沿换热盘管30的分布方向延伸，这样，多个换热盘管30通过第一母管51和第二母管52并联连接，第一汇总管53从容纳腔的底端向上延伸。

第一汇总管53与第一母管51的连接位置、第二汇总管54与第二母管52的连接位置在第一母管51或第二母管52的长度方向对称布置。这样，从并联连接在第一母管51和第二母管52之间的多个换热盘的流体更均衡，确保各个区域的换热效率相当。

换热盘管30为4a+b个，b≤a，第一汇总管53位于第a个换热盘管30与第a+1个换热盘管30之间，第二汇总管54位于第3a+b个换热盘管30与第3a+b+1个换热盘管30之间。比如图2中，a＝3，b＝2，第一汇总管53位于第3个换热盘管30与第4个换热盘管30之间，第二汇总管54位于第11个换热盘管30与第12个换热盘管30之间。

如图2所示，第一汇总管53与第一母管51的连接位置位于第一母管51长度的1/3至1/4位置处，第二汇总管54与第二母管52的连接位置位于第二母管52长度的2/3至3/4位置处。可以理解的是，由于第一母管51和第二母管52与每个换热盘管30的接口截面处的流速不均匀，通过设置上述第一汇总管53及第二汇总管54的连接位置，可以保证各个换热盘管30的截面平均流速基本相等，各支管流速和平均流速偏差小。

在蓄热阶段，热的换热介质(比如热水)由第一母管51进入相变储能装置中，第一母管51与第一汇总管53相连接，第一汇总管53上焊接有若干个换热盘管30，每个换热盘管30由等长的直换热管31弯折而成，下部的弯管33的弯折半径较小，由下至上弯管33的弯折半径逐渐变大。换热盘管30内的水与换热盘管30外的固态相变材料换热之后，流至第二汇总管54。第二汇总管54与所有换热盘管30焊接连接。第二汇总管54与第二母管52连接，第二汇总管54中的冷的换热介质经由第二母管52流出相变储能装置。当相变蓄热装置100中的相变材料全部熔化后，蓄热阶段结束。

在放热阶段，冷的换热介质由第二母管52进入相变储能装置中，第二母管52与第一汇总管53相连接，换热管31内的水与换热管31外的液态相变材料换热之后，流至第一汇总管53，第一汇总管53中的热的换热介质经由第一母管51流出相变储能装置。当相变蓄热装置100中的相变材料全部凝固后，放热阶段结束。

根据蓄热功率和放热功率的需求，蓄热阶段中的第一母管51、以及放热阶段中的第二母管52中的流量可控制。相变蓄热装置100内储满液态相变材料时时，液位最大高度不超过限制。相变蓄热装置100内胆13下部有排污孔19，目的是为了排出相变蓄热装置100内部的失效的相变材料。上部有排气孔17，目的是为了维持相变蓄热装置100内外气压的平衡，防止危险的发生。

综上所述，根据本实用新型实施例的相变蓄热装置100，换热管31从上之下间距逐渐变小，装置内部温度分布更加均匀，直接减少蓄热装置内部的温度不均匀导致的材料失效问题，并且强化换热效率。同时装置内部均温性的提高可以减小装置内胆13和外壳11的热应力，提高装置的安全性，同时也能起到延长使用寿命的效果。采用结构简单的盘管式换热器，提供了低流速和均匀进口流速的进水，提高了相变蓄热装置100内部的均温性；该装置无需能动设备，运行稳定可靠、成本低、后续维护简单。该装置特别适用于相变储能装置，可以节省换热器材料费用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种相变蓄热装置，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体限定出容纳腔，所述容纳腔内填充有相变介质，所述相变介质在液态时的密度小于所述相变介质在固态时的密度；

多个沿竖向间隔开设置的换热管，所述换热管设置在所述相变介质中，且适于与外部管路连通，从下到上相邻的两个所述换热管之间的间距单调不变小，且最下方的两个所述换热管的间距小于最上方的两个所述换热管的间距。

2.根据权利要求1所述的相变蓄热装置，其特征在于，从下到上相邻的两个所述换热管之间的间距单调增加。

3.根据权利要求1所述的相变蓄热装置，其特征在于，分布于同一竖直面的多个所述换热管通过设置在端部的弯管首尾顺次相连为换热盘管。

4.根据权利要求3所述的相变蓄热装置，其特征在于，所述换热盘管为多个，多个所述换热盘管沿水平方向间隔开分布。

5.根据权利要求3所述的相变蓄热装置，其特征在于，还包括：

第一母管，每个所述换热盘管的下部端口均与所述第一母管相连，所述第一母管设于所述容纳腔的下部；

第二母管，每个所述换热盘管的上部端口均与所述第二母管相连，所述第二母管设于所述容纳腔的上部。

6.根据权利要求5所述的相变蓄热装置，其特征在于，还包括：

第一汇总管，所述第一汇总管与所述第一母管相连，且贯穿所述壳体以用于与外部管路连通；

第二汇总管，所述第二汇总管与所述第二母管相连，且贯穿所述壳体以用于与外部管路连通。

7.根据权利要求6所述的相变蓄热装置，其特征在于，所述第一汇总管与所述第一母管的连接位置、所述第二汇总管与所述第二母管的连接位置在所述第一母管或所述第二母管的长度方向对称布置。

8.根据权利要求7所述的相变蓄热装置，其特征在于，所述换热盘管为4a+b个，b≤a，所述第一汇总管位于第a个所述换热盘管与第a+1个所述换热盘管之间，所述第二汇总管位于第3a+b个所述换热盘管与第3a+b+1个所述换热盘管之间。

9.根据权利要求7所述的相变蓄热装置，其特征在于，所述第一汇总管与所述第一母管的连接位置位于所述第一母管长度的1/3至1/4位置处，所述第二汇总管与所述第二母管的连接位置位于所述第二母管长度的2/3至3/4位置处。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的相变蓄热装置，其特征在于，所述壳体包括：外壳和内胆，所述内胆限定出所述容纳腔，所述外壳罩设在所述容纳腔外，且所述外壳与所述内胆之间填充有保温层。

11.根据权利要求1-9中任一项所述的相变蓄热装置，其特征在于，所述壳体的顶壁设有与所述容纳腔连通的排气孔，所述壳体的下部设有与所述容纳腔连通的排污孔。