CN2606877Y - 双效相变蓄热式热管换热器 - Google Patents
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Abstract
一种涉及相变蓄热领域的双效相变蓄热式热管换热器由三部分组成，上部是取热流体通道，两端分别连接有流体进口管和流体出口管；下部是供热流体通道，两端分别连接有流体进口管和流体出口管；并在取热流体通道与供热流体通道内，加装了扰流板及变截面板；中部是蓄热室，蓄热室上、下端分别连接有充装蓄热介质的入口管和释放蓄热介质的出口管；换热器的上、中、下部之间分别用上挡板和下挡板隔开；装有工作介质的热管自上而下贯穿三个部分与其组成一个整体。蓄热室部分装有吸收介质膨胀压力的波纹板装置，装置上设有压力调节控制元件。该换热器具备蓄热、释热功能，并实现了同时取、放热的功能；该换热器可充分利用工业余热，进行高效率的废热回收。
Description
技术领域
本实用新型专利是涉及工业余热、废热回收、太阳能利用的蓄热式节能换热设备。
背景技术
随着现在新技术、新工艺的不断发展和能源问题的日益严重，对高性能、高参数换热设备的需求越来越大。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要乃至决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达96％，我国的比率也在逐年上升。但在热回收的过程中，往往会出现能量的供、求双方在时间、强度以及地点上的不匹配现象，从而造成诸多不便以及热回收率低等弊症。常规的换热器难以解决此类问题，由此各类储能式换热器迅速发展。
相变储能换热器是将相变蓄热器与换热器结为一体，利用换热器的换热特性提取相变材料中所储存的热量。相变储能换热器的形式可以分为两类：一类(本文中称I型)是相变材料充装于容器或管中，热交换流体在容器或管外流动。如图1、图2所示：其中：23为装置热交换流体进口管，28为装置热交换流体出口管，24为装置壳体，26为封装相变材料25的圆管(两端封闭)，27为热交换流体空间。蓄热时，将装置内通入热的流体，温度较低的相变材料通过圆管壁与温度较高的换热流体进行热交换，将热量储存起来；热量储存完毕，而需要热量输出时，将装置内通入冷流体，冷流体与相变材料发生热交换，完成热量的释放；另一类相变储能换热器(本文中称II型)是将相变材料放于蓄热容器内，热交换流体通过埋于其内的换热器进行换热。如图3所示：其中：23为装置热交换流体入口管，24为装置壳体，25为充装在装置内的相变材料，29为换热流体管路，28为装置热交换流体出口管。该装置的充放热过程同图1、图2所示装置一样。在实际应用中，人们根据需要设计出了不同结构的相变储能换热器----圆柱形、壳管式，蛇形管式等等。然而不论何种结构形式，其关键都是相变传热问题，即如何有效的将储存在相变材料中的热量全部有效而迅速的提取出来。现有的蓄热式换热器仅具备蓄热及释热功能，而且其传热元件多为盛装相变材料或换热流体管子的壁面，管子的材质在一定程度上决定装置的性能，实际的应用及测试也表明，设备所能发挥的经济效益不尽如人意，甚至当传热流体与相变材料两者之间的温差较小时，装置效率便会大为降低或者停止工作。
同时随着工业装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大容量化，并向低温差设计方向发展。换热器的大容量化在一定程度上即意味着其体积的增大，然而装置的大型化必然会带来一系列的问题，如装置检修等等。所有这些都有待于从结构及技术上加以解决。
发明内容
本实用新型发明的目的在于克服现有技术及结构上的不足，研制出一种换热效率高，结构简单，适宜组装，充分利用工业余热、废热及太阳能的拼装型双效相变蓄热式热管换热器。
本实用新型发明将热的超导体热管作为换热元件应用于相变蓄热领域中。其结构参见图4-图10，它包括有换热装置壳体、储能容器、换热元件等，其特征在于：换热器由三部分组合而成，上部是取热流体通道1，其一端连接有流体进口管4，另一端连接有流体出口管5；下部是供热流体通道3，其一端连接有流体进口管8，另一端连接有流体出口管9；并在取热流体通道1与供热流体通道3内，按常规固定方法加装了扰流板14及变截面板12；中部是蓄热室2，蓄热室2上端连接有充装相变蓄热介质的入口管6，下端连接有释放相变蓄热介质的出口管7。换热器的上部与中部之间，中部与下部之间分别用上挡板15和下挡板16隔开；装有工作介质的热管10自上而下贯穿三个部分，热管10通过固定在热管上的螺纹连接件22与上挡板15和下挡板16连接，换热器上、中、下三部分分别设置有连接板18，连接板18将上、中、下三部分组装成一个整体。
并且蓄热室2的内壁一侧装有吸收介质膨胀压力的波纹板装置13，装置13上安装有通用压力调节控制元件17，并外连于蓄热室2的外壁。双效相变蓄热式热管换热器上部的取热流体通道1与下部的供热流体通道3中，当供热流体是液体时，装有扰流板14及变截面板12，当供热流体是气体时，只需加装变截面板12。
本实用新型的工作原理介绍如下：①当热源(工业余热、废热，太阳能热水器的循环热水等，其温度要高于蓄热介质的相变温度)通过换热器的供热流体通道3时，流体与热管10发生热交换，热管内的工作介质受热蒸发而上升，在蓄热室2中部分，热管的周围为温度较低的固态相变蓄热介质，热管10内的工作介质在冷凝端遇冷冷而将热量放出，传递给管外的相变蓄热介质，蓄热介质吸热后达到一定温度发生相变，不断将能量储存起来，热管内冷凝后的工作介质沿热管内管壁回流到蒸发端，重新遇热蒸发而重复上述过程，实现能量的储存；②能量储存完毕而无热源可以利用时，本换热器便发挥热源作用：热管内工作介质在周围相变蓄热介质的作用下，受热蒸发而上升，当在通道通过温度较低的取热流体时，热管内的工作介质便在冷流体通道段冷凝而将热量放出，传递给管外通过的温度较低的取热流体，实现能量的释放；③当不需要能量的储存而直接进行能量的利用时，本装置仍能充分发挥其效力，在冷、热流体分别通过其通道时，热管能将热量由热源传递给冷流体，基于传热分析，热管与沿程周围介质的热交换占很少一部分。以上三个过程实现了换热器的双效功能。
另外，当蓄热室内装入介质后，两口均封闭，需要时打开。根据换热器工作温度的不同，充装不同相变温度的相变蓄热介质，通过介质的相变潜热及部分显热来储存能量。通常介质发生相变时，其体积会发生变化，对换热器壳体有一定的破坏作用，所以在蓄热室内壁一侧加装了一个用来吸收介质膨胀产生的压力的装置13。因波纹板的伸缩性能较好，有较好的弹性，故该装置材料选用波纹板。装置的背面设置有压力控制元件17，其用来调节波纹板承受介质膨胀产生的内部压力变化的状况。换热器的上中下三部分由上挡板15与下挡板16隔开，成为相互独立、互不相通的三个部分。作为传热元件的热管10自上而下贯穿三个部分，成为连接三个部分换热的桥梁。为加强热管表面与流体及储热相变介质之间的换热，在热管表面加装了多组环形肋片11，从而扩大了换热表面积。同时在取热流体通道1内与供热流体通道3内加装扰流板14与变截面板12，加强了流体在通道内的扰动，增强了流体与热管之间的换热。依靠热管的优良性能，热量连续不断的将热源传到冷端，实现换热的目的。本实用新型的技术效果主要体现在以下几方面：1、采用热管作为传热元件，减小了传热热阻，具备小温差条件下装置启动、运行的特点；2、装置采用三部分结构设计，相互隔开，具备蓄热、释热功能，而且实现了同时取、放热的功能；3、采用模块化设计，可实现大容量装置的要求；4、加装了吸收膨胀部分，从构造上克服了现有蓄热式换热器存在的壳体胀裂问题；5、流体通道加装变截面板及扰流板，从流体流态的改变方面去增强流体与传热表面之间的换热；6、装置无运动部件，运行安全、平稳。
本实用新型较其他的蓄热式换热器的一个最大的优点是：它能实现能量的同时取、放功能，即冷、热流体分别通过其通道时，可实现热量由热流体直接传递给冷流体的功能；采用热管、热管表面加装环形肋片、流体通道内加装扰流板与变截面板等技术，使换热效率大大提高，进而使设备的总体积缩小，减轻设备的生产重量，减少成本。采用模块化设计，设备上、中、下三部分可实现分体生产，整体组装。另外，单台设备之间并联使用，可满足大容量装置的要求；
附图说明：图1：现有技术中的I型蓄热装置的主视图；图2：现有技术中的I型蓄热装置的俯视图；图3：现有技术中的II型蓄热装置的示意图；图4：本实用新型装置的主视图；图5：本实用新型装置的侧视图；图6：本实用新型装置的俯视图；图7：本实用新型装置的上、下隔板图；图8：本实用新型装置的流体通道、隔板、蓄热室三部分连接示意图(C、
D部分大样图)；图9：本实用新型装置的热管与上、下隔板连接示意图；图10：本实用新型装置中实施例中给出的相变蓄热式热管换热器单体设备之间并联使用示意图；
图1-图10中标号为：1、取热流体通道，2、蓄热室，3、冷流体通道，4、取热流体进口管，5、取热流体出口管，6、相变材料进口管，7、相变材料出口管，8、供热流体进口管，9、供热流体出口管，10、热管，11、肋片，12、变截面板，13、波纹板装置14、扰流板，15、上挡板，16、下挡板，17、压力控制元件，18、连接板，19、密封材料，20、螺栓，21、螺母，22、螺纹连接件，23、热交换流体进口管，24、壳体，25、相变材料，26、圆管，27、热交换流体空间，28、热交换流体出口管，29、换热流体管路。30、螺栓孔，31、热管穿过挡板的孔
具体实施方式：
按照附图4---附图10采用常规技术组装完毕后，按以下工作原理和实施方式完成本实用新型的设计。
实施例一：当太阳能热水器作为热源时，双效相变储热式热管换热器的应用。换热器由上、中、下三部分组成。因参与热交换的流体为液体，故在取热流体通道1与供热流体通道3中加装了扰流板14和变截面板12。取热流体通道1的流体进口管4与自来水管相接，流体出口管5与使用端相接，供热流体通道3的流体进口管8与太阳能热水器热水出口相接，流体出口管9与太阳能热水器热水入口相接，蓄热室2内部充装有温度合适的相变蓄热介质。白天光照充分时，热水在换热器与热水器之间循环，实现热量的储存；当晚上需要热水时，可在流体通道1中通入自来水，通过调节自来水流量的大小，制备不同温度的热水，实现换热的目的。根据需要，多台换热器可并联使用。
实施案二：烟气余热管道通过合适的接口与供热流体通道3的流体进口管8相接，流体出口管9作为烟气出口，取热流体通道1的流体进口管4通过合适的接口与风机的入口相连，流体出口管5作为热气出口，蓄热室2内部充装有温度合适的相变蓄热介质。有余热利用时，在流体进口管8内通入温度较高的烟气，烟气与热管10之间发生热交换，可实现热量的储存；需要取热时，在流体进口管4内通入温度较低的空气，热管可将蓄热室内的热量传递给温度较低的空气，实现热量的释放；需要同时取放热时，在流体进口管4内通入温度较低的空气、流体进口管8内通入温度较高的烟气，即可实现。因参与热交换的流体为气体，故在取热流体通道1与供热流体通道3中只加装了变截面板12。根据需要，多台换热器可并联使用。
Claims (3)
1、一种双效相变蓄热式热管换热器，包括换热装置壳体、储能容器、换热元件，本实用新型其特征在于：置于壳体内的换热器由三部分组合而成，上部是取热流体通道(1)，其一端连接有流体进口管(4)，另一端连接有流体出口管(5)；下部是供热流体通道(3)，其一端连接有流体进口管(8)，另一端连接有流体出口管(9)；并在取热流体通道(1)与供热流体通道(3)内，按常规固定方法加装了扰流板(14)及变截面板(12)；中部是蓄热室(2)，蓄热室(2)上端连接有充装相变蓄热介质的入口管(6)，下端连接有释放相变蓄热介质的出口管(7)；换热器的上部与中部之间，中部与下部之间分别用上挡板(15)和下挡板(16)隔开；装有工作介质的热管(10)自上而下贯穿三个部分，热管(10)按常规技术与上挡板(15)和下挡板(16)连接，换热器上、中、下三部分分别设置有连接板(18)，连接板(18)将上、中、下三部分组装成一个整体。
2、根据权利要求1所述的双效相变蓄热式热管换热器，其特征在于：蓄热室(2)的内壁一侧装有吸收介质膨胀压力的波纹板装置(13)，装置(13)上安装有通用压力调节控制元件(17)，并外连于蓄热室(2)的外壁。
3、根据权利要求1所述的双效相变蓄热式热管换热器，其特征在于：上部的取热流体通道(1)与下部的供热流体通道(3)中，当供热流体是液体时，装有扰流板(14)及变截面板(12)，当供热流体是气体时，只需加装变截面板(12)。
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