[发明专利]一种相变蓄热装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种能量存储与释放装置，具体涉及的是一种通过固液相变材料进行蓄热和换热的装置。

背景技术

发展新型高效节能技术已成为工程热物理领域的重要研究课题。在工业余热利用过程中，发展高效蓄热技术是解决能源需求与供给失配矛盾、提高能源利用率的重要技术途径。目前，热量存储方式主要有潜热蓄热、显热蓄热和化学反应蓄热三种类型。潜热蓄热通过相变材料(PCM)的相变过程来实现能量的储存和释放，该类型蓄热方式因相变材料种类多、储能密度大、开发空间大和易于运行控制等优点而成为目前常用的蓄热手段。然而，现有的潜热蓄热结构大多采用的是单管或管束与相变材料在蓄热空间内随机交互布置，并未从管束与相变材料在空间布局方式的角度考虑去改善蓄热器的蓄热、换热能力；并且由于相变材料存在导热系数低的缺点，在相变过程中，随着相变界面由表及里的移动，固化层不断增厚，导致相变材料的热阻逐渐增加，整个蓄热结构的温度均匀性差，影响了相变材料的蓄热能力和蓄热效率。因此，迫切需要寻求一种新型高效的潜热蓄热型的能量存储与释放装置。

发明内容

技术问题：为解决现有的蓄热装置设计上存在的蓄热器温度均匀性差、蓄热密度低、蓄热效率有限等问题，本发明提供了一种通过连续分流、扰流、合流效应使换热管中的热量沿着高导热孔道阵列通道在整个蓄热器空间内快速均匀地分散、传递开来，以增加热流传递过程中的掺混和再分配的相变蓄热装置，进而使整个蓄热装置的温度分布更加均匀，大大提高了蓄热装置的蓄热密度和蓄热效率，使蓄热装置的蓄热、放热过程稳定高效的进行。

技术方案：本发明提供的技术方案如下：

一种相变蓄热装置，包括蓄热器壳体以及置于蓄热器壳体内的换热管道和相变材料，其特征在于：在所述蓄热器壳体内设置有多孔金属骨架，在所述多孔金属骨架沿轴向平行的设置有孔道阵列，所述相变材料位于所述孔道阵列的每个孔道内，所述换热管道沿所述多孔金属骨架轴向间隔的设置在所述孔道阵列内，在每个换热管道周围至少围绕有一圈所述孔道，在所述换热管道的入口设置分流装置，在所述换热管道的出口设置集流装置，在所述换热管道内还设置有三维交叉导流式混沌扰流器。

所述三维交叉导流式混沌扰流器由延所述换热管道轴向间隔设置的混沌单元组成，每个混沌单元包括上导流单元和下导流单元，所述上导流单元和下导流单元分别由上导流块和下导流块组成，每个导流块的导流平面与换热管道轴线的夹角在45°到50°之间，上导流单元的上导流块和下导流单元的下导流块位于管道内的同一侧，上导流单元的下导流块和下导流单元的的上导流块位于管道内的另一侧，上导流单元的上导流块的顶端侧面与上导流单元的下导流块的底面相切，下导流单元的下导流块的顶端侧面与上导流单元的上导流块的底面相切，上导流单元的切面位置和下导流单元的切面位置都偏离管道的中心轴线，且两个切面位置分别位于管道轴线的不同侧。

所述切面位置与管道直径的关系为：0.4≤S/W＜0.5

其中，S为切面与较近的管壁间的径向距离，W为换热管道的直径。

所述导流块为平板翅片，该平板翅片具有两个直角边和一个连接两个直角边的弧形边，其中该弧形边与管道内壁固定。

所述多孔金属骨架为一六棱柱结构，六棱柱沿其轴向方向从上到下通有所述孔道阵列，所述孔道阵列形状与布局方式为蜂巢结构，所述相变材料与金属骨架间对称均匀地布置四根所述换热管道。

所述孔道阵列的布局方式为：所述孔道阵列为平行于所述六棱柱横截面结构任意两对边的七行且对称排列，在第二行和第六行的中间分别设置一根换热管道，在第四行对称的设置有两根换热管道，四根换热管道形成一个菱形分布。孔道截面形状为等大的正六边形，换热管道截面形状为等大的圆形。

在所述的六边形孔道内沿轴向设置有燕尾型微槽道。所谓燕尾型槽道其实就是在孔道内壁上沿孔道轴线方向间隔的设置有多个横截面为倒梯形状的微槽道。

所述相变材料为结晶水和盐类或脂肪酸。

所述换热器壳体外圈包有保温材料。

当孔道内填充液态相变材料时，壁面微槽道可有效提高孔道内相变材料和金属壁面间的换热水平；同时，由燕尾型槽道形成的尖角区域可看作一些外凸的肋片，将进一步增强孔道内的换热能力。

本发明在壳体内设置多孔金属骨架，多孔泡沫金属结构具有导热性能好、比表面积大、比强度高和各向同性等优点。另外，本发明将多孔泡沫金属的孔道分布方式布置成类似于蜂巢结构的分形结构特征，由于仿蜂巢分形结构优良的热质输运特性，此蓄热器将具备优良的蓄热换热能力。