CN218066062U - 复合蓄热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种复合蓄热器，包括：壳体、相变蓄热层和显热蓄热层。壳体中构造有腔体；第一进出口和第二进出口均与腔体连通；相变蓄热层设置在腔体中，且包含两层相变蓄热材料；显热蓄热层设置在腔体中。本实用新型提供的复合蓄热器，在蓄热过程中，高温过热水蒸汽先通过显热蓄热层进行热量传递，使其汽到达临近液化状态，再经过相变蓄热层转换为液态。而在释热过程，液态水先经过显热蓄热层升温至临近沸腾状态，再经过相变蓄热层使液态水吸热发生汽化。采用分级蓄热，避免换热流体相变蓄热时与蓄热材料存在温焓特性不匹配和

损失问题，可以显著提高蓄热效果、缩短蓄热流程。

Description

复合蓄热器

技术领域

本实用新型涉及热能储存设备技术领域，尤其涉及一种复合蓄热器。

背景技术

蓄热技术对于可再生能源开发利用和电力系统稳定输出具有重要意义，特别是在太阳能储热系统、物理储能系统中，蓄热系统发挥着重要作用。

蓄热技术按蓄热方式不同可分为显热蓄热、相变蓄热和热化学蓄热。显热蓄热具有成本低、结构简单、性质稳定和安全性能高等优点，但是蓄热热密度较低，需要大容器的储存设备。相变蓄热是近年来蓄热领域的研究热点，具有蓄热体积小、蓄热密度高、低蒸汽压、热容量大、充放热过程温度波动小等优点，在国内外发展较为迅速，但是传统相变材料具有导热性能差、性能衰减快、易腐蚀等缺点；热化学蓄热技术还处于前期研究阶段，应用条件还不成熟。

对于大部分太阳能储热、太阳能热水、压缩空气储能、二氧化碳储能等系统，常以水作为传热流体，但因为水的蓄热温区属于中低温蓄热，且在蓄放热过程中存在相变特性，单纯的显热蓄热和相变蓄热方式往往难以匹配水相变换热时的温焓特性，从而造成单级蓄热温差和

损较大，导致蓄热效率较低，而且单级蓄热方式需要设备体积大，成本高。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种复合蓄热器，用于解决单纯的显热蓄热和相变蓄热方式难以匹配水相变换热时的温焓特性，极易造成单级蓄热温差和

损较大，单级蓄热方式需要设备体积大，以及蓄热效率低的问题。

本实用新型实施例提供一种复合蓄热器，包括：

壳体，所述壳体中构造有腔体；所述壳体的两端分别构造有第一进出口和第二进出口；所述第一进出口和所述第二进出口均与所述腔体连通；

相变蓄热层，所述相变蓄热层包含两种不同温区的蓄热材料，所述相变蓄热层设置在所述腔体中；

显热蓄热层，所述显热蓄热层设置在所述腔体中，所述显热蓄热层位于所述第一进出口和所述相变蓄热层之间，和/或所述第二进出口和所述相变蓄热层之间。

根据本实用新型一个实施例提供的复合蓄热器，所述显热蓄热层包括：

第一显热蓄热层，设置在所述腔体中，位于所述第一进出口和所述相变蓄热层之间；

第二显热蓄热层，设置在所述腔体中，位于所述第二进出口和所述相变蓄热层之间。

根据本实用新型一个实施例提供的复合蓄热器，所述复合蓄热器还包括：第一导流隔板和第二导流隔板；所述第一导流隔板和所述第二导流隔板上均设有筛孔；所述第一导流隔板和所述第二导流隔板将所述腔体分隔成依次连通设置的第一腔体、第二腔体和第三腔体；所述第一腔体与所述第一进出口连通，所述第一腔体中设有所述第一显热蓄热层；所述第二腔体中设有所述相变蓄热层；所述第三腔体与所述第二进出口连通，所述第三腔体中设有所述第二显热蓄热层。

根据本实用新型一个实施例提供的复合蓄热器，所述相变蓄热层包括：多个蓄热单元；多个所述蓄热单元为相变微胶囊，分别包纳不同蓄热温区的相变材料，均匀填充在所述第二腔体中。

根据本实用新型一个实施例提供的复合蓄热器，所述第一显热蓄热层和所述第二显热蓄热层均包括：多个颗粒状或多孔状的第二蓄热单元，多个所述第二蓄热单元均匀填充在所述第一腔体和所述第三腔体中。

根据本实用新型一个实施例提供的复合蓄热器，所述复合蓄热器还包括：第一散流层和第二散流层；

所述第一散流层设置在所述第一显热蓄热层靠近所述第一进出口的一侧，所述第二散流层设置在所述第二显热蓄热层靠近所述第二进出口的一侧。

根据本实用新型一个实施例提供的复合蓄热器，所述复合蓄热器还包括：保温隔热层，所述保温隔热层包裹在所述壳体的外侧。

根据本实用新型一个实施例提供的复合蓄热器，所述复合蓄热器还包括：扰流器；所述扰流器设置在所述腔体中，所述扰流器与所述第一进出口或第二进出口连通。

根据本实用新型一个实施例提供的复合蓄热器，所述复合蓄热器还包括：压力表；所述压力表的检测端设置在所述腔体中。

根据本实用新型一个实施例提供的复合蓄热器，所述壳体上构造有稳压连接口，所述稳压连接口与所述腔体连通。

本实用新型提供的复合蓄热器，通过设置与腔体连通的第一进出口和第二进出口，在腔体中同时设置相变蓄热层和显热蓄热层，使得在蓄热过程中，高温过热水蒸汽先通过显热蓄热层进行热量传递，使其汽到达临近液化状态，再经过相变蓄热层转换为液态。而在释热过程，液态水先经过显热蓄热层升温至临近沸腾状态，再经过相变蓄热层使液态水吸热发生汽化。采用分级蓄热，避免换热流体相变蓄热时与蓄热材料存在温焓特性不匹配和

损失问题，可以显著提高蓄热效果、缩短蓄热流程。而且该复合蓄热器有效结合显热蓄热和相变蓄热的优势，具有蓄热密度高、设备占地小等优势。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有的复合蓄热器的示意图；

附图标记：

其中，100、壳体；1001、第一进出口；1002、第二进出口；200、显热蓄热层；2001、第一显热蓄热层；2002、第二显热蓄热层；203、第四换热器；300、相变蓄热层；3001、第一相变蓄热层；3002、第二相变蓄热层；400、第一导流隔板；500、第二导流隔板；600、第一散流层；700、第二散流层；800、扰流器；900、压力表；1003、稳压连接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型实施例的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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实施例中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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实施例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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

热声效应的定义为可压缩流体往复振荡过程中和固体介质之间由于热的相互作用而产生的时均能量效应。根据能量转换的方向，热声效应可分为利用热能产生声能的热致声效应和利用声能逆温度梯度泵送热量的声致冷效应。

本实用新型提供一种复合蓄热器，如图1所示，该复合蓄热器包括：壳体100、相变蓄热层300和显热蓄热层200。

其中，壳体100为整个复合蓄热器的外壳，壳体100为中空的结构，壳体100为中构造有腔体，壳体采用金属材料制成，且根据承压强度要求，可采用不同厚度。壳体100的两端分别构造有第一进出口1001和第二进出口1002。第一进出口1001和第二进出口1002均与腔体连通，使用过程中第一进出口1001和第二进出口1002中的一者作为入口，另一者作为出口。第一进出口1001和第二进出口1002与外部管路连接时可采用法兰连接。为了有效降低换热流体进口流速，还可以在第一进出口1001和第二进出口1002中设置流阻构件。

相变蓄热层300设置在腔体中。相变蓄热层300包含两种不同温区的蓄热材料，包括第一相变蓄热层3001和第二相变蓄热层3002，采用相变储能材料作为原料，可采用热化学储热和相变储热等方式。

显热蓄热层200设置在腔体中，显热蓄热层200位于第一进出口1001和相变蓄热层300之间，或者显热蓄热层200设置在第二进出口1002和相变蓄热层300之间，或者显热蓄热层200同时位于第一进出口1001和相变蓄热层300之间以及第二进出口1002和相变蓄热层300之间。也即，可在相变蓄热层300的一侧或者两侧设置显热蓄热层200。通过有效结合显热蓄热和相变蓄热的优势，相比于双罐显热储存，该复合蓄热器具有蓄热密度高、设备占地小等优势。

在仅在相变蓄热层300的一侧设置显热蓄热层200的情形下(仅在第一进出口1001和相变蓄热层300之间设置显热蓄热层200)。

蓄热的过程中，高温过热的换热流体通过第一进出口1001进入腔体，高温过热的换热流体的热量传递给显热蓄热层200，换热流体到达临近液化状态，再进一步通过两级换热将相变潜热传递给相变蓄热层300的两种相变蓄热材料，然后进入下部显热蓄热层200进一步降低温度，最后换热流体通过第二进出口1002流出。

释热的过程中，液态换热流体从第一进出口1001进入腔体，与蓄热的过程相反，换热流体从显热蓄热层200上吸收热量升温至临近沸腾状态，然后临近沸腾状态的液态水进入相变蓄热层300吸热发生汽化，然后气态换热工质经过上部显热蓄热层进一步升温成为过热状态，最后气态换热流体可从第二进出口1002流出。

同时在相变蓄热层300的两侧设置显热蓄热层200的情形下(同时在相变蓄热层300和第一进出口1001之间，以及第二进出口1002和相变蓄热层300之间设置显热蓄热层200)。第一进出口1001用于蓄热时换热流体进口和释热时换热流体出口，第二进出口1002用于蓄热时换热流体出和释热时换热流体进口。

蓄热的过程中，高温过热的换热流体通过第一进出口1001进入腔体，高温过热的换热流体的热量传递给上侧的显热蓄热层200，水蒸汽到达临近液化状态，再进一步将相变潜热传递给相变蓄热层300，然后换热流体进入下侧的显热蓄热层200传递热量，换热流体的热量传递给所有相变蓄热层300和显热蓄热层200，最后通过第二进出口1002流出。

释热的过程中，与蓄热的过程相反，换热流体从第二进出口1002进入腔体，换热流体从下侧的显热蓄热层200上吸收热量升温至临近沸腾状态，然后临近沸腾状态的换热流体进入相变蓄热层300吸热发生汽化，最后饱和蒸汽状的换热流体经过上侧的显热蓄热层200进一步升温成为过热状态，从而吸收相变蓄热层300和显热蓄热层200所存储热量，最后通过第一进出口1001流出。

需要说明书的是，换热流体工质可以为水，也可以为其他在蓄热释热过程发生相变的流动工质。

本实用新型提供的复合蓄热器，通过设置与腔体连通的第一进出口和第二进出口，在腔体中同时设置相变蓄热层和显热蓄热层，使得在蓄热过程中，高温过热水蒸汽先通过显热蓄热层进行热量传递，使其汽到达临近液化状态，再经过两级相变蓄热层转换为液态。而在释热过程，液态水先经过显热蓄热层升温至临近沸腾状态，再经过两级相变蓄热层使液态水吸热发生汽化。采用分级蓄热，避免换热流体相变蓄热时与蓄热材料存在温焓特性不匹配和

损失问题，可以显著提高蓄热效果、缩短蓄热流程。而且该复合蓄热器有效结合显热蓄热和相变蓄热的优势，具有蓄热密度高、设备占地小等优势。

需要说明的是，由于存在换热流体相变过程，在使用时可以根据需要增大第一进出口1001和第二进出口1002的管径或增加气液分离器以实现气液分离储存。

在一个示例中，如图1所示，显热蓄热层200包括：第一显热蓄热层2001和第二显热蓄热层2002。第一显热蓄热层2001设置在腔体中，第一显热蓄热层2001位于第一进出口1001和相变蓄热层300之间。第二显热蓄热层2002设置在腔体中，第二显热蓄热层2002位于第二进出口1002和相变蓄热层300之间。

蓄热的过程中，高温过热的换热流体通过第一进出口1001进入腔体，高温过热的换热流体热量传递给第一显热蓄热层2001，水蒸汽到达临近液化状态，再进一步将相变潜热传递给相变蓄热层300，然后换热流体进入第二显热蓄热层2002传递热量，换热流体的热量传递给所有相变蓄热层300和显热蓄热层200，最后通过第二进出口1002流出。

释热的过程中，与蓄热的过程相反，换热流体从第二进出口1002进入腔体，换热流体从第二显热蓄热层2002上吸收热量升温至临近沸腾状态，然后临近沸腾状态的换热流体进入相变蓄热层300吸热发生汽化，最后饱和蒸汽状的换热流体经过第一显热蓄热层2001进一步升温成为过热状态，从而吸收相变蓄热层300和显热蓄热层200所存储热量，最后通过第一进出口1001流出。

在本实用新型提供的一实施例中，如图1所示，复合蓄热器还包括：第一导流隔板400和第二导流隔板500。第一导流隔板400和第二导流隔板500上均设有筛孔。第一导流隔板400和第二导流隔板500将腔体分隔成依次连通设置的第一腔体、第二腔体和第三腔体。第一腔体与第一进出口1001连通，第一腔体中设有第一显热蓄热层2001。第二腔体中设有相变蓄热层300。第三腔体与第二进出口1002连通，第三腔体中设有第二显热蓄热层2002。

其中，第一导流隔板400和第二导流隔板500用于分离不同蓄热等级的蓄热材料，并强化液态换热流体流动均匀性。

具体而言，第一导流隔板400用于分离第一显热蓄热层2001和相变蓄热层300。第二导流隔板500用于分离第二显热蓄热层2002和相变蓄热层300。第一导流隔板400和第二导流隔板500可以采用金属材料或非金属材料，也可以为单层或双层结构，其横截面应当设有筛孔，筛孔可以为圆形、方形、条形或其他不规则形状。

本实施例中，如图1所示，相变蓄热层300包括：多个第一蓄热单元。多个第一蓄热单元为相变微胶囊，分别包纳不同蓄热温区的相变材料，采用封装复合相变微胶囊材料，多个第一蓄热单元均匀填充在第二腔体中，可以为规则填充或无序填充形式，孔隙率在10％-90％之间。多个第一蓄热单元用于蓄热释热过程中相变蓄热，位于换热流体相变区域，即位于第二腔体。

该封装复合相变微胶囊材料可以通过如下方式制备：分子包埋法、微通道乳化法、超临界流体快速膨胀法、模板法等。内部为单种或多种相变材料，外壳使用金属或脲醛树脂等有机材料封装，一般为均匀大小的球形。将相变蓄热改为封装式蓄热微胶囊间接接触换热，可以有效解决使用传统相变材料存在的蓄热材料易损坏、蓄热效率较低等问题。

本实施例中，如图1所示，第一显热蓄热层2001和第二显热蓄热层2002的结构相同，均包括：多个颗粒状或多孔状的第二蓄热单元。例如鹅卵石等石子材料，或者还可以为大理石、矿渣、混凝土、耐火砖、陶瓷球或金属等其中一种或至少两种的混合物。多个第二蓄热单元均匀填充在第一腔体和第三腔体中，可以为规则填充或无序填充形式，孔隙率在10％-90％之间。多个第二蓄热单元用于蓄热释热过程中显热蓄热，位于换热流体相变前后区域，即填充在第一腔体和第三腔体。

复合蓄热器还包括：第一散流层600和第二散流层700。第一散流层600设置在第一显热蓄热层2001靠近第一进出口1001的一侧，第二散流层700设置在第二显热蓄热层2002靠近第二进出口1002的一侧。

其中，第一散流层600用于将第一进出口1001换热流体均匀分布在蓄热器的横截面，第二散流层700用于将第二进出口1002换热流体均匀分布在蓄热器的横截面，

基于上述实施例，在本实用新型提供的一实施例中，如图1所示，复合蓄热器还包括：保温隔热层，保温隔热层包裹在壳体100的外侧。保温隔热层用以减少蓄热耗散热量损失，保温隔热层材料可以为玻璃棉、岩棉、气凝胶毡、膨胀珍珠岩和发泡水泥等。

基于上述实施例，在本实用新型提供的一实施例中，如图1所示，复合蓄热器还包括：扰流器800。扰流器800设置在腔体中，扰流器800与第一进出口1001或第二进出口1002连通。扰流器800用于增大换热流体入口流动扰动，使之向四周分散。

也即，在扰流器800设置在第一进出口1001时，扰流器800用于增大第一进出口1001处的扰动。在扰流器800设置在第二进出口1002时，扰流器800用于增大第二进出口1002处的扰动。

在一个实施例中，扰流器800可以为金属材料，扰流器800设置在第一进出口1001。例如，扰流器800为圆柱体结构，扰流器800的直径大于第一进出口1001的直径，由此换热流体通过扰流器800动能降低、压力下降，且能向四周流动，减小由于高压对蓄热材料及填充方式的影响。

复合蓄热器中还设有压力表900。压力表900的检测端设置在腔体中，压力表900用于实时监控复合蓄热器的腔体中的压力情况。此外，壳体100上构造有稳压连接口1003，稳压连接口1003与腔体连通。稳压连接口1003用于工作时通过调节开度维持腔体内部压力维持在一定范围。

在一个具体的实施例中，如图1所示，以换热流体为水为例，其中显热蓄热层200选用球形铅铋共晶合金，第一相变蓄热层3002选用和水饱和蒸汽温度匹配的硝酸钠材料，并以二氧化硅为壁壳材料进行封装，形状为均匀球形，均采用规则化填充方式。第二相变蓄热层3002形式与3001相同，其中选用CESM材料，蓄释热时系统蒸汽压分别为10.7、8.1MPa，相应饱和蒸汽温度为316.01、295.88℃，硝酸钠的熔点为306℃左右，CESM材料高温蓄热温区上限达600℃，所以蓄热材料的温焓特性与水工质相变转换和高温水蓄热工况较匹配。

蓄热的过程中，高温过热水蒸汽通过第一进出口1001进入腔体，然后通过第一进出口1001上配置的流阻构件使流速延迟，然后通过扰流器800使流动方向折转90°形成扰动，然后在压差驱动下通过第一散流层600均匀散流，高温过热水蒸汽的热量传递给上侧的显热蓄热层200，水蒸汽到达临近液化状态，再进一步将相变潜热传递给相变蓄热层300，然后液态水进入下侧的101显热蓄热层200传递热量，换热流体的热量传递给所有相变蓄热层300和显热蓄热层200，最后通过第二进出口1002流出。

释热的过程中，与蓄热的过程相反，液态水从第二进出口1002进入，然后依次通过第二进出口1002上配置的流阻构件和第二散流层700进入腔体内，液态水从下侧的显热蓄热层200上吸收热量升温至临近沸腾状态，然后临近沸腾状态的液态水进入相变蓄热层300吸热发生汽化，最后饱和水蒸汽经过上侧的显热蓄热层200进一步升温成为过热状态，从而吸收相变蓄热层300和显热蓄热层200所存储热量，最后通过第一进出口1001流出。

综上所述，本实用新型提供一种复合蓄热器，将显热蓄热和相变蓄热技术有机结合，并根据换热流体相变特性匹配将不同蓄热材料进行分级，设计出一种单罐一体式填充式分级复合蓄热器，同时使用微胶囊技术制备一种新型复合相变微胶囊作为相变换热单元蓄热材料。本实用新型可以显著提高蓄热性能、增强导热效率、减少设备体积、缩短换热流程，解决使用传统蓄热器存在的蓄热成本较高、蓄热材料易损坏、蓄热效率较低等问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

以上实施方式仅用于说明本实用新型，而非对本实用新型的限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围中。

Claims (9)

1.一种复合蓄热器，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体中构造有腔体；所述壳体的两端分别构造有第一进出口和第二进出口；所述第一进出口和所述第二进出口均与所述腔体连通；

相变蓄热层，所述相变蓄热层包含两种不同温区的蓄热材料，所述相变蓄热层设置在所述腔体中；

显热蓄热层，所述显热蓄热层设置在所述腔体中，所述显热蓄热层位于所述第一进出口和所述相变蓄热层之间，和/或所述第二进出口和所述相变蓄热层之间。

2.根据权利要求1所述的复合蓄热器，其特征在于，所述显热蓄热层包括：

第一显热蓄热层，设置在所述腔体中，位于所述第一进出口和所述相变蓄热层之间；

第二显热蓄热层，设置在所述腔体中，位于所述第二进出口和所述相变蓄热层之间。

3.根据权利要求2所述的复合蓄热器，其特征在于，所述复合蓄热器还包括：第一导流隔板和第二导流隔板；所述第一导流隔板和所述第二导流隔板上均设有筛孔；所述第一导流隔板和所述第二导流隔板将所述腔体分隔成依次连通设置的第一腔体、第二腔体和第三腔体；所述第一腔体与所述第一进出口连通，所述第一腔体中设有所述第一显热蓄热层；所述第二腔体中设有所述相变蓄热层；所述第三腔体与所述第二进出口连通，所述第三腔体中设有所述第二显热蓄热层。

4.根据权利要求3所述的复合蓄热器，其特征在于，所述相变蓄热层包括：多个蓄热单元；多个所述蓄热单元为相变微胶囊，分别包纳不同蓄热温区的相变材料，均匀填充在所述第二腔体中。

5.根据权利要求3所述的复合蓄热器，其特征在于，所述第一显热蓄热层和所述第二显热蓄热层均包括：多个颗粒状或多孔状的第二蓄热单元，多个所述第二蓄热单元均匀填充在所述第一腔体和所述第三腔体中。

6.根据权利要求3所述的复合蓄热器，其特征在于，所述复合蓄热器还包括：第一散流层和第二散流层；

所述第一散流层设置在所述第一显热蓄热层靠近所述第一进出口的一侧，所述第二散流层设置在所述第二显热蓄热层靠近所述第二进出口的一侧。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的复合蓄热器，其特征在于，所述复合蓄热器还包括：保温隔热层，所述保温隔热层包裹在所述壳体的外侧。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的复合蓄热器，其特征在于，所述复合蓄热器还包括：扰流器；所述扰流器设置在所述腔体中，所述扰流器与所述第一进出口或所述第二进出口连通。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的复合蓄热器，其特征在于，所述复合蓄热器还包括：压力表；所述压力表的检测端设置在所述腔体中。

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