CN210741202U - 一种带冷凝回流结构的相变储能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带冷凝回流结构的相变储能装置，该相变储能装置包括箱体、换热机构、加热机构、冷凝回流结构以及箱体内的相变材料，换热机构用于与相变材料进行热交换，冷凝回流结构与箱体上方连通，冷凝回流结构与进水管进行热交换，将相变材料在蓄热过程中脱除的水分收集，并冷凝液化回流至箱体中，在放热过程中，相变材料与液化水结合，与换热机构的工作介质完成热交换过程，减少了相变材料在相变过程中水分的蒸发并改善了无机相变材料的性能，提高了能量利用率和相变材料的可循环次数，且该相变储能装置结构简单、操作方便。

Description

一种带冷凝回流结构的相变储能装置

技术领域

本实用新型属于能源利用领域，具体涉及一种带冷凝回流结构的相变储能装置。

背景技术

相变材料是指随温度变化而改变物质状态并能提供潜热的物质。随着工业化和现代化的不断发展，能源消耗越来越多，能源问题也越来越突出，节能减排是发展的方向。

相变储能装置是利用相变储能材料热焓值高、储能密度大的优点，将电能或热能储能在相变储能设备的相变储能材料中，需要时用自来水通过换热盘管置换出相变储能材料中储存的热量，有效提高热能的利用效率，缓解用电高峰压力，实现削峰填谷。但是，现有的相变储能装置能源利用率低，能源消耗较多，造成能源的浪费。

相变材料一般分为有机相变材料和无机相变材料。其中，相变材料中无机盐例如结晶水合盐的应用较为广泛，结晶水合盐相变材料具有较大的相变热和固定的熔点，当温度升高时，结晶水合盐失去结晶水溶解吸热；当温度降低时发生逆过程，水合盐吸收结晶水放热。结晶水合盐相变材料具有导热系数大、密度大且单位蓄热密度高等优点。但是，结晶水合盐相变材料存在过冷度大、相分离及易结块等，导致无法实现热交换。

实用新型内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种带冷凝回流结构的相变储能装置，该相变储能装置包括箱体、换热管机构、加热机构、冷凝回流结构以及箱体内的相变材料，换热机构用于与相变材料进行热交换，冷凝回流结构与箱体上方连通，冷凝回流结构与进水管进行热交换，将相变材料在蓄热过程中脱除的水分收集，并冷凝液化回流至箱体中，在放热过程中，相变材料与液化水结合，与换热机构的工作介质完成热交换过程，减少了相变材料在相变过程中水分的蒸发并改善了无机相变材料的性能，提高了能量利用率和相变材料的可循环次数，从而完成本实用新型。

本实用新型的目的在于提供一种带冷凝回流结构的相变储能装置，该相变储能装置包括箱体、换热机构、加热机构、冷凝回流结构以及箱体内的相变材料，

其中，换热机构包括依次连接的进水管、换热管和出水管，换热管至少部分位于箱体内，所述进水管和出水管位于箱体外。

其中，冷凝回流结构与箱体上方连通，所述冷凝回流结构包括依次连接的进气口、冷凝管和出气口，进气口与箱体的顶部连通，出气口与大气连通，且出气口处设有泄压阀，所述冷凝回流结构与进水管进行热交换，

其中，箱体由内到外依次包括不锈钢层I、保温层I、不锈钢层II、保温层II和不锈钢层III，所述保温层I和保温层II均由保温材料构成。

其中，进水管至少部分缠绕在冷凝管外壁上。

其中，冷凝回流结构还包括依次连接的冷却液进口、冷却管和冷却液出口，冷凝管在冷却管内，进气口和出气口位于冷却管外，冷凝回流结构连接于进水管中，所述冷却液进口和冷却液出口分别与两侧的进水管相连通。

其中，冷凝管包括直形管、球形管、蛇形管、梨形管中的一种或几种的连接。

所述换热管由若干个并联的直管、螺旋管或若干个串联的U形管构成。

其中一种实施方式，加热机构为电加热管，电加热管至少部分埋设于相变材料中，电加热管为直管、螺旋管或多个并联的U形管。

另一种实施方式，加热机构为微波加热器，微波加热器位于箱体外部。

该相变材料为碱类物质或结晶水合盐类。

在不锈钢层III外侧涂有防腐涂料，在所述箱体的底端设有万向轮。

本实用新型所具有的有益效果为：

(1)本实用新型通过在相变储能装置顶部加设冷凝回流结构，将箱体中的相变储能材料在蓄热过程中脱除的水分收集，并冷凝液化回流至箱体中，在放热过程中，相变储能材料与液化水结合，与换热机构的工作介质完成热交换过程；

(2)本实用新型提供的带冷凝回流结构的相变储能装置能够减少相变材料在相变过程中水分的蒸发，防止水分挥发，导致相变材料发生相分离而失效，无法继续进行相变过程；

(3)采用本实用新型的相变储能装置进行换热能够提高能量利用率，防止储能装置温度过高，并且能够提高相变储能材料可循环次数，延长相变储能材料的使用寿命；

(4)本实用新型的相变储能装置在用电低谷时段给相变材料加热，储存热量，在用电高峰时段利用相变储能装置作为热源释放热量，降低了能耗，满足节能减排的发展要求，且该相变储能装置结构简单、操作简便，适于推广实施。

附图说明

图1示出本实用新型一种优选的实施方式的带冷凝回流结构的相变储能装置的结构示意图；

图2示出本实用新型另一种优选的实施方式的带冷凝回流结构的相变储能装置的结构示意图。

附图标号说明：

1-不锈钢层I；

2-保温层I；

3-不锈钢层II；

4-保温层II；

5-不锈钢层III；

6-进水管；

7-换热管；

8-出水管；

9-进气口；

10-冷凝管；

11-出气口；

12-泄压阀；

13-电加热管；

14-万向轮；

15-相变材料；

16-冷却管；

17-冷却液进口；

18-冷却液出口；

19-温度压力控制器。

具体实施方式

下面通过附图和优选实施方式对本实用新型进一步详细说明。通过这些说明，本实用新型的特点和优点将变得更为清楚明确。

根据本实用新型，如图1和图2所示，提供一种带冷凝回流结构的相变储能装置，该装置包括箱体、换热机构、加热机构、冷凝回流结构以及箱体内的相变材料。

根据本实用新型，箱体为封闭的容器，优选为封闭的无焊点的容器，由不锈钢材料构成。

根据本实用新型，箱体由内到外依次包括不锈钢层I 1、保温层I 2、不锈钢层II3、保温层II 4和不锈钢层III 5。

本实用新型中，保温层I2和保温层II4能够增强箱体中相变材料的保温隔热效果，防止热量散发损失，提高能源的利用率，保温层I2和保温II4均由保温材料构成，保温材料选自聚氨酯发泡材料、聚苯保温材料、岩棉保温材料、真空保温材料、珍珠岩保温材料中的一种或几种，优选为聚氨酯发泡材料。

根据本实用新型，保温层II 4的孔密度大于保温层I 1的孔密度，优选保温层II 4的孔密度为保温层I 1的孔密度的2～6倍，优选为3～5倍，例如3倍。优选地，保温层II 4中的孔与保温I中的孔交错排列，能够使箱体具有更好的保温效果，减小热量损失，进一步提高相变储能装置的能源利用率。

根据本实用新型，为防止相变材料对箱体造成腐蚀，在箱体内壁上设有防腐蚀涂层，防腐蚀涂层由防腐蚀材料构成的一体成型容器、板材热熔焊接或防腐蚀涂层，防腐蚀材料优选选自天然橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、氯醚橡胶、氯化聚乙烯橡胶、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺塑料、聚氯乙烯、ABS、聚碳酸酯塑料、氟塑料、玻璃钢、树脂类中的任意一种或几种。

根据本实用新型，在不锈钢III5的外侧涂有防腐涂料，防止箱体被腐蚀破坏。防腐涂料为现有技术常用的在不锈钢表面上涂覆的防腐涂料。

根据本实用新型，该相变储能装置还设有用于对相变材料进行加热的加热机构。

根据本实用新型，该加热机构通过电加热的方式对相变材料加热。

根据本实用新型一种优选的实施方式，加热机构为电加热管13，电加热管13至少部分埋设于箱体内的相变材料15中其进行加热。

根据本实用新型进一步优选的实施方式，电加热管13为直管、螺旋管或多个并联的U形管，采用螺旋管或多个并联的U形管使得加热机构与相变材料的接触面积增大，加热速率更快，效率更高。

根据本实用新型另一种优选的实施方式，加热机构为微波加热器，微波加热器位于箱体外部，微波加热器通过微波的方式对箱体中的相变材料进行加热，使得相变材料的受热更加均匀，进而使得热交换效率更高。

根据本实用新型另一种实施方式，加热机构包括加热盘管，加热盘管内通入热介质，通过在加热盘管内通入热介质与相变材料进行热交换，实现对相变材料进行加热。

根据本实用新型，加热盘管由若干个U形管并联或串联而成，从而增大加热盘管与相变材料的接触面积，能够较快速且均匀的对相变材料进行加热，使相变材料受热均匀，加热速率和加热效率高。根据本实用新型，该相变储能装置还包括对箱体的压力和温度进行控制的压力温度控制器19，随时监控箱体内相变材料的温度和压力，保证热交换的稳定运行。

根据本实用新型，在箱体底端还设有万向轮14，优选箱体为长方体状，万向轮14设于箱体底面的四个角的位置，便于均匀支撑箱体，同时便于从各个方向移动箱体，在万向轮14上还设有闸门，用于锁住万向轮14，使万向轮14不能滚动，当将箱体移至某一位置后能够通过闸门使箱体稳定在某一位置。

根据本实用新型，换热机构包括依次连接的进水管6、换热管7和出水管8，进水管6和出水管8位于箱体外，换热管7至少部分位于箱体内，埋设于相变材料中。

本实用新型中，工作介质从进水管6进入，经过换热管7与相变材料发生热交换，再由出水管8离开。其中，工作介质优选为水或油。

根据本实用新型，进水管6、换热管7和出水管8为一体成型的管路，或者，进水管6、换热管7和出水管8通过焊接的方式连接，焊接位置在箱体外，由此可避免多段管路焊接的焊点与相变材料接触，焊点被腐蚀，使得管路内的工作介质与相变材料接触，导致不能较好的进行热交换过程。

根据本实用新型，换热管6埋设于相变材料15中，当工作介质流经换热管6时，相变材料15与工作介质发生热量交换，优选地，相变材料15将其储存的热量传递给工作介质，工作介质带走热量，完成热交换。

本实用新型中，为更好的使相变材料15和工作介质进行热交换，换热管7尽可能以最大程度与相变材料进行接触，进行热量的交换。

根据本实用新型，换热管7为由若干个并联的直管、螺旋管或若干个串联的U形管构成。

根据本实用新型一种优选的实施方式，换热管7由若干个并联的直管构成，更充分的进行热量交换，提高热交换效率。

根据本实用新型另一种优选的实施方式，换热管7为螺旋管，更充分的进行热量交换，提高热交换效率。

根据本实用新型另一种优选的实施方式，换热管7由若干个串联的U形管构成，更充分的进行热量交换，提高热交换效率。

根据本实用新型，为防止相变材料对换热机构中的进水管6、出水管8，尤其是换热管8造成腐蚀，进水管6、出水管8和换热管7优选由碳钢、不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金等材料构成，更优选在进水管6、出水管8和换热管7需做防腐蚀处理，例如在管外壁涂覆防腐蚀涂层。防腐蚀涂层优选为本领域常用的防腐蚀材料构成。

根据本实用新型，相变材料15为无机相变材料，优选该相变材料15为碱类物质或无机水合盐类。

根据本实用新型，碱类物质选自八水合氢氧化钡、一水合氢氧化钠、氢氧化钠等中的一种或几种，优选为八水合氢氧化钡。

根据本实用新型，无机水合盐类优选为结晶水合盐，优选选自十水合硫酸钠、十水合碳酸钠、十二水合磷酸氢二钠、六水合氯化钙、三水合醋酸钠、十二水合硫酸铝钾、十二水合硫酸铝铵、七水合硫酸镁、五水合硫代硫酸钠、十八水合硫酸铝、二水合氟化钾等中的一种或几种，更优选选自六水氯化钙、十二水硫酸铝钾、十水硫酸钠、十二水磷酸氢二钠和十二水硫酸铝铵中的一种或几种。

本实用新型中，结晶水合盐相变材料15的相变过程为：当温度升高时，结晶水合盐相变材料的结晶水合盐会溶解吸热，失去结晶水，当温度降低时发生逆过程，吸收结晶水放热，释放其内储存的热量。但是结晶水合盐在相变过程中会存在过冷度大、相分离及容易结块的缺点，结块会导致其体积膨胀，可能会对箱体内的换热管或加热机构的管线造成挤压破坏。

根据本实用新型，若相变储材料15中包括无机水合盐类相变材料，优选还包括缓冲剂，缓冲剂的加入能够防止结晶水合盐冷却时结块现象的发生，从而扩大结晶水合盐相变材料在储能方面的应用范围。

根据本实用新型，缓冲剂为相应的无机水合盐的饱和溶液，例如，当无机水合盐为六水合氯化钙时，则缓冲剂为六水合氯化钙的饱和溶液。

根据本实用新型，当相变储能材料包括结晶水合盐时，优选还包括成核剂。

根据本实用新型，成核剂为有机成核剂或无机成核剂，优选成核剂为纤维状，即成核剂为有机纤维或无机纤维。

根据本实用新型，成核剂具有促进结晶水合盐结晶的作用，而纤维状的成核剂使得结晶水合盐的结晶速率更高，相变时间缩短，进而提高热交换的效率。

根据本实用新型，无机纤维优选为玻璃纤维；有机纤维优选为芳纶、丙纶、腈纶、聚酰亚胺、尼龙、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚对苯撑苯并双恶唑纤维(PBO纤维)、聚对苯并咪唑纤维(PBI纤维)、聚苯撑吡啶并二咪唑纤维(M5纤维)等有机纤维中的一种或几种，更优选选自芳纶、丙纶和尼龙中的一种或几种，例如丙纶。

根据本实用新型优选的实施方式，成核剂为有机纤维时，为了防止纤维过轻漂浮在液体上层，影响成核效率，优选首先在相变储能设备的蓄热池内设置防腐蚀支架，将有机纤维通过打结缠绕的方式固定在防腐蚀支架上，使有机纤维在防腐蚀支架上编织出网络状结构，然后填充无机水合盐相变材料及缓冲剂，从而得到本实用新型的相变储能材料。

根据本实用新型，防腐蚀支架由不锈钢材料构成，优选在不锈钢材料表面涂覆有防腐蚀涂层，防止相变储能材料对防腐蚀支架造成腐蚀或破坏。

根据本实用新型，防腐蚀支架具有框架结构，优选为长方体框架结构，该框架结构在至少一个面上利用有机纤维编织成网络状结构，更优选利用有机纤维在框架结构的上底面和/或下底面编织网络状结构。

根据本实用新型，防腐蚀支架结构可设有一至多个，多个防腐蚀支架结构能够增大有机纤维与相变材料和缓冲剂的接触面积，从而提高相变材料的结晶速率，缩短相变时间。

根据本实用新型一种优选的实施方式，相变储能材料41包括以下重量配比的成分：结晶水合盐50～99重量份；成核剂0.1～20重量份；缓冲剂0.01～50重量份。其中，成核剂优选为0.1～10重量份，更优选为1～8重量份，更优选为2.5～5重量份。缓冲剂优选为0.1～50重量份，更优选为1～50重量份，更优选为10～50重量份。

本实用新型中，包括结晶水合盐的相变储能材料，在相变过程中，结晶水合盐吸热，结晶水会蒸发，放热时，结晶水合盐需要吸收结晶水，如果不能及时将结晶水合盐脱除的水分与结晶水合盐发生结合，则会导致结晶盐水合盐无法继续发生相变过程，从而影响相变储能材料的可循环次数。因此，需要减少相变储能材料在相变过程中水分的蒸发。

根据本实用新型，冷凝回流结构与箱体上方连通。

根据本实用新型，冷凝回流结构包括依次连接的进气口9、冷凝管10和出气口11，进气口9与箱体的顶部连通，出气口11与大气连通，且出气口11处设有泄压阀12，所述冷凝回流结构与进水管6进行热交换。泄压阀12能够维持箱体内的压力，当箱体内蒸气压太大时，开启泄压阀12释放压力，防止箱体内的压力过大对装置造成损坏或造成危险。

根据本实用新型一种实施方式，进水管6至少部分缠绕在冷凝管10的管壁上，由此进水管6与冷凝管10实现热交换。

根据本实用新型另一种实施方式，该冷凝回流结构还包括依次连接的冷却液进口17、冷却管16和冷却液出口18，冷凝管10在冷却管内，进气口9和出气口11位于冷却管16两端，冷凝回流结构连接于进水管6中，所述冷却液进口17和冷却液出口18分别与两侧的进水管6相连通。工作介质由进水管6一侧通过冷却液进口17进入冷却管16，然后由冷却液出口18再进入进水管6另一侧，然后流经换热管7和出水管8。

根据本实用新型，冷凝管10包括直形管、球形管、蛇形管、梨形管中的一种或几种的连接。例如冷凝管10可以为球形管和蛇形管连接而成的冷凝管。冷凝管10还可以申请号为200920188961.4的专利中所述冷凝管。

根据本实用新型，冷凝管10的轴线与箱体顶部上表面垂直，箱体内的相变材料15发生相变后产生的水蒸气能够进入到冷凝管10中。

本实用新型中，加热机构对箱体内的相变材料15如结晶水合盐的相变材料15进行加热，结晶水合盐吸热失去结晶水，储存热量，结晶水蒸发进入到冷凝管中，当向换热机构中通入较低温度的工作介质后，工作介质经过进水管6进入到换热管7，在流经进水管6时，由于进水管6中工作介质的温度较低，使得冷凝管10中的结晶水冷凝为液体，并回流至箱体内的相变材料中，通过工作介质流经换热管6时，换热管6与相变材料15发生热量交换，相变材料15释放热量，工作介质吸收热量，进入出水管8，从而完成热交换。

本实用新型中，利用对流原理，由箱体中蒸发出的水蒸气蒸发进入冷凝管10中，水蒸气经工作介质冷凝后由冷凝管10直接回流至箱体中。

根据本实用新型，箱体4内的相变材料15所占的容积不超过箱体容积的3/4，从而能够使得在发生相变时，防止体积膨胀充满箱体，导致无法继续发生相变。

采用本实用新型所述的带冷凝回流结构的相变储能装置进行蓄热放热的方法包括以下步骤：

步骤1、准备或安装好相变储能装置；

步骤2、利用加热机构对相变材料进行加热，相变材料中的结晶水蒸发进入到冷凝管中；

步骤3、向进水管中通入工作介质，冷凝管中的结晶水冷凝回流至相变材料中，工作介质流经换热管，完成热交换。

根据本实用新型，步骤1，准备或安装好相变储能装置，所述的相变储能装置如上所述。

根据本实用新型，步骤2中，蓄能过程(储热过程)：利用加热机构对相变材料进行加热，加热至设定温度后保持恒温一定时间，其中恒温的时间根据储热所需能量获得，在此过程中相变材料如结晶水合盐发生相变，相变材料中的结晶水蒸发，进入到冷凝管中，例如结晶水合盐失去结晶水，结晶水蒸发，进入冷凝管中，相变材料储存全部相变潜热和部分显热，温度达到设定温度后停止加热。

根据本实用新型，步骤3中，供能过程(放热过程)：向换热装置的进水管中通入低温的工作介质(如冷水)，工作介质流经进水管1进入冷凝回流结构，进水管内的工作介质与冷凝管的管壁接触，对冷凝管中的水蒸气进行冷凝，水蒸气冷凝液化放热，热量传递给工作介质，从而提高了能量的利用率，水蒸气液化由冷凝管回流至箱体的相变储能材料中，换热机构中的工作介质经进水管流经换热管，通过换热管与相变材料发生热交换，结晶水合盐相变材料与由冷凝管回流的结晶水结合，发生相变，放出热量，得到热量的工作介质由出水管流出，完成热交换，以供使用，当出水管流出的工作介质的温度低至设定温度时停止放热，优选当温度不高于由进水管进入的工作介质的温度时，停止放热过程。

本实用新型中，由出水管流出的工作介质的温度通过控制循环水流速流量，以保证终端所需温度达到所需要求。

本实用新型的带冷凝回流结构的相变储能装置，一方面可以提高能量利用率，防止储能装置温度过高，另一方面防止水分挥发，防止无机盐脱水后，无法继续相变过程，提高储能材料可循环次数，延长相变材料的使用寿命。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本实用新型工作状态下的方位或位置关系，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，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，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。

以上结合优选实施方式和范例性实例对本实用新型进行了详细说明。不过需要声明的是，这些具体实施方式仅是对本实用新型的阐述性解释，并不对本实用新型的保护范围构成任何限制。在不超出本实用新型精神和保护范围的情况下，可以对本实用新型技术内容及其实施方式进行各种改进、等价替换或修饰，这些均落入本实用新型的保护范围内。本实用新型的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种带冷凝回流结构的相变储能装置，其特征在于，该相变储能装置包括箱体、换热机构、加热机构、冷凝回流结构以及箱体内的相变材料，

所述换热机构包括依次连接的进水管(6)、换热管(7)和出水管(8)，所述换热管(7)至少部分位于箱体内，所述进水管(6)和出水管(8)位于箱体外，

所述冷凝回流结构与箱体上方连通，所述冷凝回流结构包括依次连接的进气口(9)、冷凝管(10)和出气口(11)，进气口(9)与箱体的顶部连通，出气口(11)与大气连通，且出气口(11)处设有泄压阀(12)，所述冷凝回流结构与进水管(6)进行热交换，

所述箱体由内到外依次包括不锈钢层I(1)、保温层I(2)、不锈钢层II(3)、保温层II(4)和不锈钢层III(5)，所述保温层I(2)和保温层II(4)由保温材料构成。

2.根据权利要求1所述的相变储能装置，其特征在于，所述进水管(6)至少部分缠绕在冷凝管(10)的外壁上。

3.根据权利要求1所述的相变储能装置，其特征在于，所述冷凝回流结构还包括依次连接的冷却液进口(17)、冷却管(16)和冷却液出口(18)，冷凝管(10)在冷却管(16)内，进气口(9)和出气口(11)位于冷却管(16)两端，冷凝回流结构连接于进水管(6)中，所述冷却液进口(17)和冷却液出口(18)分别与两侧的进水管(6)相连通。

4.根据权利要求3所述的相变储能装置，其特征在于，所述冷凝管(10)包括直形管、球形管、蛇形管、梨形管中的一种或几种的连接。

5.根据权利要求1所述的相变储能装置，其特征在于，所述换热管(7)由若干个并联的直管、螺旋管或若干个串联的U 形管构成。

6.根据权利要求1所述的相变储能装置，其特征在于，所述加热机构为电加热管(13)，电加热管(13)至少部分埋设于相变材料中，电加热管(13)为多个并联的直管、螺旋管或多个串联的U形管。

7.根据权利要求1所述的相变储能装置，其特征在于，所述加热机构为微波加热器，微波加热器位于箱体外部。

8.根据权利要求1所述的相变储能装置，其特征在于，所述相变材料(15)为碱类物质或结晶水合盐类。

9.根据权利要求6所述的相变储能装置，其特征在于，所述不锈钢层III(5)外侧涂有防腐涂料。

10.根据权利要求6所述的相变储能装置，其特征在于，在所述箱体的底端设有万向轮(14)。

Images