CN213873941U - 一种水储热结合相变储热设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种水储热结合相变储热设备，属于储热技术领域。其技术方案为：一种水储热结合相变储热设备，其特征在于，包括储热罐、设置在所述储热罐的内部的相变储热组件以及设置在所述储热罐中心位置的换热盘管，所述储热罐内且位于所述换热盘管的下方设置有加热器，所述储热罐内填充有显热储热介质；所述相变储热组件包括若干个导热材料制成的密封罐体，相邻的两个所述密封罐体之间通过隔层板固定，所述隔层板固定在所述储热罐的内壁上，所述密封罐体内部填充有相变材料，所述密封罐体的外部设置有导热材料制成的传热骨架。本实用新型的有益效果为：结构简单，设计合理，相变材料填充方式简便，储/放热速率快。

Description

一种水储热结合相变储热设备

技术领域

本实用新型涉及储热技术领域，尤其涉及一种水储热结合相变储热设备。

背景技术

如今，我国的热/冷能消耗约占全社会总能源消耗的40％，有效的提高能源系统中热/冷能的利用效率将对我国的能源问题产生重要的战略意义。储热技术可以很好地解决热能供应与需求过程中时间和空间上的不匹配问题，是一种提高能源系统中热/冷能利用效率的有效途径。目前，储热技术主要可以分为三种：显热储存，潜热储存，化学热储存。显热储存主要是利用比热容较大的物质在升温/降温过程中所进行热能的储存与释放。潜热储存是利用相变材料在发生相变 (通常是“固-液”相变)过程中会吸收/释放大量的相变潜热来进行热能的储存与释放。化学热储存是利用可逆化学反应过程的反应热来进行热能的储存与释放。

目前，已经出现了一些以显热储热或潜热储存原理为基础的热能储存装置，化学热储存由于其成本的限制并没有大规模应用。但是，现有的显热储存装置存在体积庞大，储热密度低等问题，潜热储存装置虽不存在上述问题，然而其最大的缺点就是相变材料导热系数低，换热流体与相变材料之间的换热能力较差，这极大的影响了储热装置的效率。关于显热储热技术与潜热储热技术相结合的储热装置并不多见。因此，将两种储热技术优势进行整合的研究有待进一步开展。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种针对现有储热技术中的不足而提出一种结构简单，设计合理，相变材料填充方式简便，储/放热速率快的水储热结合相变储热设备。

本实用新型是通过如下措施实现的：一种水储热结合相变储热设备，其特征在于，包括储热罐、设置在所述储热罐的内部的相变储热组件以及设置在所述储热罐中心位置的换热盘管，所述储热罐内且位于所述换热盘管的下方设置有加热器，所述储热罐内填充有显热储热介质；所述显热储热介质通常为水。

所述相变储热组件包括若干个导热材料制成的密封罐体，相邻的两个所述密封罐体之间通过隔层板固定，所述隔层板固定在所述储热罐的内壁上，所述密封罐体内部填充有相变材料，所述密封罐体的外部设置有导热材料制成的传热骨架。所述传热骨架采用高传热系数的材料且高度略小于所述密封罐体的高度，比如铜，采用直径为1mm的黄铜丝编织而成。所述隔层板上的设置有凹槽，所述密封罐体设置在所述凹槽内，所述储热罐的上下两端均设置有与所述密封罐体配合的限位槽。

所述储热罐外壁面由低导热系数的保温材料进行包裹以减少热损失或者所述储热罐设置保温层，所述保温层设计成可更换的具有复合保温结构的柔性护套或者夹层结构。所述换热盘管采用双螺旋盘管结构并固定在所述储热罐上。

所述储热罐包括上端敞开下端密封圆柱形的罐体以及通过压盖密封的顶盖，所述换热盘管固定在所述顶盖上且所述换热盘管的换热流体进口和换热流体出口均伸出所述顶盖。所述顶盖的密封方式采用压盖密封，并在所述顶盖和所述储热罐侧壁之间衬有橡胶制成的弹性密封垫片加强密封性。

设置在所述换热盘管内部的相变储热组件构成内储热单元，若干个周向均布在所述换热盘管外侧的相变储热组件构成外储热单元，所述加热器位于所述内储热单元和外储热单元之间。所述外储热单元中的相邻的两个相变储热组件之间的夹角为30°。轴向方向上，所述内储存单元一般设置4个所述密封罐体，所述外储热单元一般设置5个所述密封罐体。

所述储热罐的内部同心设置有环形支撑板，所述环形支撑板固定在所述储热罐的内壁上，所述隔层板固定在所述环形支撑板上。所述隔层板可焊接在环形支撑板上也可以采用可拆卸连接。所述环形支撑板可以用以确定所述相变储热组件和所述隔层板的位置，并且承担其重力。

所述加热器周向均布有四个，所述加热器的引线从所述储热罐的底部伸出。所述加热器为PTC加热器，其安装位置位于所述储热罐底部圆半径的二分之一处。

所述相变材料的填充体积不大于所述密封罐体容积的85％，用于防止相变材料固-液体相变积变化。

所述储热罐的内部上中下三个部分分别布置了K型热电偶，所述K型热电偶检测所述储热罐内的温度变化，所述储热罐内温度不超过所述显热储热介质的沸点。如果所述储热罐内的所述显热储热介质沸腾会产生蒸汽进而导致储热装置承压，便会对实验工程应用产生一定危险。

所述罐体的上部以及所述顶盖的壁厚为所述罐体下部壁厚的1.5倍。根据以往研究成果，所述储热罐的热损失集中在所述储热罐的顶盖。

所述相变材料为石蜡基相变材料，所述显热储热介质为水，水温不超过 100℃。所述装置是用于低温储热(100℃以下)，如果罐内温度超过100℃，产生蒸汽导致储热装置承压，便会对实验工程应用产生一定危险。所述显热储热介质也可以为油。

石蜡作为低温相变材料，成本低廉，获取方便，可供选择的熔点范围广。但是由于石蜡导热系数低，传热性能较差，所以本实用新型中的相变材料也可以为高导热系数的金属基或碳基复合相变材料等。

所述隔层板的材质均为304不锈钢；所述密封罐体的材质为马口铁；所述密封罐体的罐身和罐盖之间可以采用螺纹连接且连接处设置有密封圈，这样可以防止所述储热罐中的介质流入相变储热单元，或者液态相变材料从相变储热单元中流出。

通过所述加热器对所述显热储热介质进行加热，所述相变材料通过加热后的所述显热储热介质进行储热；或对所述换热盘管通入废热，通过所述废热对所述显热储热介质进行加热，所述相变材料通过加热后的所述显热储热介质进行储热。显热储热介质可以为水。

所述相变储热组件的密封罐体内的所述相变材料的熔点从上到下逐渐减小，因为采用加热器加热的介质，例如水，温度高的水会上升，会先与相变材料进行换热，以及通过所述废热对所述显热储热介质进行加热，废热也会先与上部的相变材料进行换热，这样可以提高换热效率。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：结构简单，设计合理，所述相变材料填充方式简便，储/放热速率快；该储热装置有两种储热方式：一种是采用谷电直接加热水的方式进行储热；另外一种是利用具有一定温度的废热流体流过所述换热盘管与水进行换热的方式进行储热。

附图说明

图1为本实用新型实施例的俯视图。

图2为图1中A-A处的剖视图。

图3为加热器的结构示意图。

图4为传热骨架的正视图。

图5为传热骨架的俯视图。

图6为密封罐体的剖视图。

其中，附图标记为：1、换热盘管；2、顶盖；3、罐体；4、环形支撑板；5、外储热单元；6、隔层板；7、罐身；8、内储热单元；9、加热器；10、压紧螺母； 11、密封橡胶圈；12、压紧螺栓；13、传热骨架；14、罐盖；15、相变材料。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

实施例一：

参见图1-图6，一种水储热结合相变储热设备，包括储热罐、设置在储热罐的内部的相变储热组件以及设置在储热罐中心位置的换热盘管1，储热罐内且位于换热盘管1的下方设置有加热器9，储热罐内填充有显热储热介质，显热储热介质通常为水。

相变储热组件包括若干个导热材料制成的密封罐体，相邻的两个密封罐体之间通过隔层板6固定，隔层板6固定在储热罐的内壁上，密封罐体内部填充有相变材料15，密封罐体的外部设置有导热材料制成的传热骨架13。传热骨架13 采用高传热系数的材料且高度略小于密封罐体的高度，比如铜，采用直径为1mm 的黄铜丝编织而成。隔层板6上的设置有凹槽，密封罐体设置在凹槽内，储热罐的上下两端均设置有与密封罐体配合的限位槽。

储热罐外壁面由低导热系数的保温材料进行包裹以减少热损失或者储热罐设置保温层，保温层设计成可更换的具有复合保温结构的柔性护套或者夹层结构。换热盘管1采用双螺旋盘管结构并固定在储热罐上。

实施例二：

参见图1-图6，一种水储热结合相变储热设备，包括储热罐、设置在储热罐的内部的相变储热组件以及设置在储热罐中心位置的换热盘管1，储热罐内且位于换热盘管1的下方设置有加热器9，储热罐内填充有显热储热介质，显热储热介质为水。

相变储热组件包括若干个导热材料制成的密封罐体，相邻的两个密封罐体之间通过隔层板6固定，隔层板6固定在储热罐的内壁上，密封罐体内部填充有相变材料15，密封罐体的外部设置有导热材料制成的传热骨架13。传热骨架13 采用高传热系数的材料且高度略小于密封罐体的高度，比如铜，采用直径为1mm 的黄铜丝编织而成。隔层板6上的设置有凹槽，密封罐体设置在凹槽内，储热罐的上下两端均设置有与密封罐体配合的限位槽。

储热罐外壁面由低导热系数的保温材料进行包裹以减少热损失或者储热罐设置保温层，保温层设计成可更换的具有复合保温结构的柔性护套或者夹层结构。换热盘管1采用双螺旋盘管结构并固定在储热罐上。

储热罐包括上端敞开下端密封圆柱形的罐体3以及通过压盖密封的顶盖2，换热盘管1固定在顶盖2上且换热盘管1的换热流体进口和换热流体出口均伸出顶盖2。顶盖2的密封方式采用压盖密封，并在顶盖2和储热罐侧壁之间衬有橡胶制成的弹性密封垫片加强密封性。

设置在换热盘管1内部的相变储热组件构成内储热单元8，若干个周向均布在换热盘管1外侧的相变储热组件构成外储热单元5，加热器9位于内储热单元 8和外储热单元5之间。外储热单元5中的相邻的两个相变储热组件之间的夹角为30°。轴向方向上，内储存单元8一般设置4个密封罐体，外储热单元5一般设置5个密封罐体。

储热罐的内部同心设置有环形支撑板4，环形支撑板4固定在储热罐的内壁上，隔层板6固定在环形支撑板4上。隔层板6可焊接在环形支撑板4上也可以采用可拆卸连接。环形支撑板4可以用以确定相变储热组件和隔层板6的位置，并且承担其重力。

加热器9周向均布有四个，加热器9的引线从储热罐的底部伸出。加热器9 为PTC加热器，其安装位置位于储热罐底部圆半径的二分之一处。加热器9通过压紧螺母10和压紧螺栓12的配合固定在罐体3上且连接处设置有密封橡胶圈 11。

相变材料15的填充体积不大于密封罐体容积的85％，用于防止相变材料固- 液体相变积变化。

储热罐的内部上中下三个部分分别布置了K型热电偶，K型热电偶检测所述储热罐内的温度变化，储热罐内温度不超过显热储热介质的沸点。如果储热罐内的显热储热介质沸腾会产生蒸汽进而导致储热装置承压，便会对实验工程应用产生一定危险。

罐体3的上部以及顶盖2的壁厚为罐体3下部壁厚的1.5倍。根据以往研究成果，储热罐的热损失集中在储热罐的顶盖。

相变材料为石蜡基相变材料，显热储热介质为水，水温不超过100℃。装置是用于低温储热(100℃以下)，如果罐内温度超过100℃，产生蒸汽导致储热装置承压，便会对实验工程应用产生一定危险。

石蜡作为低温相变材料，成本低廉，获取方便，可供选择的熔点范围广。但是由于石蜡导热系数低，传热性能较差，所以本实用新型中的相变材料也可以为高导热系数的金属基或碳基复合相变材料等。

隔层板6的材质均为304不锈钢；密封罐体的材质为马口铁；密封罐体的罐身7和罐盖14之间可以采用螺纹连接且连接处设置有密封圈，这样可以防止储热罐中的介质流入相变储热单元，或者液态相变材料从相变储热单元中流出。

通过加热器9对水进行加热，相变材料15通过加热后的水进行储热；或对换热盘管1通入废热，通过废热对水进行加热，相变材料15通过加热后的水进行储热。

本实用新型的储热过程为：在谷电时间段，采用储热罐底部的加热器直接加热水，也可以利用具有一定温度的废热流体从换热盘管的入口流入与储热罐中的水进行换热。水温上升之后，储热罐中上下不同位置的水产生了密度差，导致了水可以在储热罐中发生了一定程度的流动。水流经相变储热单元外壁与相变储热单元内的相变材料进行间接换热，相变材料受热融化，将热量以“固-液”相变潜热的形式存储了起来。相变储热单元内部的铜制传热骨架，有利于热量从储热单元的壁面传递到储热单元内部，当相变材料完全融化成液态之后，储热过程完成。

本实用新型的放热过程为：低温的换热流体由换热盘管的入口流入与储热罐中的水进行换热，换热之后由换热盘管的出口流出。储热罐中的水与换热流体进行换热之后，温度降低，同时，存储在相变材料内的热量也伴随着相变材料发生“液-固”相变释放出来，来补充水与换热流体进行热交换时的热损失，当相变材料完全凝固，并且储热罐中的水温不再发生变化之后，放热过程完成。

实施例三：

与实施例二的不同之处在于，可以通过提高显热储存介质温度来提高储/放热效率，水沸点(100℃以下)限制只能作为低温显热储热介质，因此可以将储热罐内显热储存介质更换为导热油(沸点大于300℃)。

实施例四：

与实施例二的不同之处在于，换热流体采用导热油，由于换热介质的储热量和放热量分别为：

Q₁＝cm(t₁-t₀) (1)

Q₂＝cm(t₁-t₂) (2)

式中：Q1为储热量，J；c为换热介质比热容，J/(kg·℃)；m为换热介质的质量，kg；t0为换热介质的初始温度，℃；t1为换热介质换热后温度，℃； Q2为放热量，J；t2为换热介质放后温度，℃；

由于导热油的比热容为2100J/(kg·℃)，密度为800kg/m3；常用的换热介质为水，水的比热容为4200J/(kg·℃)；密度为1000kg/m3，显然同等热量下，通过采用导热油作为换热介质增大温差可以大幅度提升放热效率，提高热能的利用。

实施例五：

在上述实施例的基础上相变储热组件的密封罐体内的相变材料的熔点从上到下逐渐减小，因为采用加热器加热的介质，例如水，温度高的水会上升，会先与相变材料进行换热，以及通过废热对水进行加热，废热也会先与上部的相变材料进行换热，这样可以提高换热效率。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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创造和简化描述，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创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型创造的描述中，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”、“设置”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，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型创造中的具体含义。

本实用新型未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种水储热结合相变储热设备，其特征在于，包括储热罐、设置在所述储热罐的内部的相变储热组件以及设置在所述储热罐中心位置的换热盘管，所述储热罐内且位于所述换热盘管的下方设置有加热器，所述储热罐内填充有流体的显热储热介质；

所述相变储热组件包括若干个导热材料制成的密封罐体，相邻的两个所述密封罐体之间通过隔层板固定，所述隔层板固定在所述储热罐的内壁上，所述密封罐体内部填充有相变材料，所述密封罐体的外部设置有导热材料制成的传热骨架。

2.根据权利要求1所述的水储热结合相变储热设备，其特征在于，所述相变储热组件的密封罐体内的所述相变材料的熔点从上到下逐渐减小。

3.根据权利要求1所述的水储热结合相变储热设备，其特征在于，所述储热罐包括上端敞开下端密封圆柱形的罐体以及通过压盖密封的顶盖，所述换热盘管固定在所述顶盖上且所述换热盘管的换热流体进口和换热流体出口均伸出所述顶盖。

4.根据权利要求1所述的水储热结合相变储热设备，其特征在于，设置在所述换热盘管内部的相变储热组件构成内储热单元，若干个周向均布在所述换热盘管外侧的相变储热组件构成外储热单元，所述加热器位于所述内储热单元和外储热单元之间。

5.根据权利要求1所述的水储热结合相变储热设备，其特征在于，所述储热罐的内部同心设置有环形支撑板，所述环形支撑板固定在所述储热罐的内壁上，所述隔层板固定在所述环形支撑板上。

6.根据权利要求1所述的水储热结合相变储热设备，其特征在于，所述加热器周向均布有四个，所述加热器的引线从所述储热罐的底部伸出。

7.根据权利要求1所述的水储热结合相变储热设备，其特征在于，所述相变材料的填充体积不大于所述密封罐体容积的85%。

8.根据权利要求1所述的水储热结合相变储热设备，其特征在于，所述储热罐的内部上中下三个部分分别布置了K型热电偶，所述K型热电偶检测所述储热罐内的温度变化，所述储热罐内温度不超过所述显热储热介质的沸点。

9.根据权利要求3所述的水储热结合相变储热设备，其特征在于，所述罐体的上部以及所述顶盖的壁厚为所述罐体下部壁厚的1.5倍。

10.根据权利要求8所述的水储热结合相变储热设备，其特征在于，所述相变材料为石蜡基相变材料，所述显热储热介质为水，水温不超过100℃。

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