[发明专利]基于超声波强化传热的相变储热装置及其运行方法

说明书

本发明公开了一种基于超声波强化传热的相变储热装置及其运行方法，相变储热装置包括功率超声波发生器、N个功率超声波换能器、壳体和换热管。本发明将超声波换能器布置在相变材料外围，超声波沿着功率超声波换能器向四周发射，利用超声波在液体中产生的空化效应、声流效应以及机械效应，加强液态相变材料的对流，大大提高了相变材料固液界面的对流换热系数，从而加强相变材料固液态间的换热，能够显著提高相变材料的相变速率，强化传热。

技术领域

本发明涉及强化换热技术领域，尤其涉及一种基于超声波强化传热的相变储热装置及其运行方法。

背景技术

在许多能源系统中常常出现能源的供应与使用时间的不匹配问题，能量的储存能够缓解能源的供应与需求方面的不匹配问题。常见的储热方式包括显热储热、潜热储热和化学能储热。其中，潜热储热因其具有储能密度大，吸放热过程在恒温下进行的优点而被广泛应用于能源调峰领域。

相变材料在经历相变储放热时存在着固液相变界面，该界面的存在大大增加了固体与液体间的换热热阻，因此亟需提供一种提高固液相变界面换热系数的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于超声波强化传热的相变储热装置及其运行方法，增强相变换热时的换热速率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于超声波强化传热的相变储热装置，包括功率超声波发生器、N个功率超声波换能器、壳体和换热管，N为大于等于1的自然数；

所述壳体为密闭腔体，其上设有第一通孔和第二通孔；

所述换热管采用导热材质制成，设置在所述壳体内，一端从壳体的第一通孔伸出、另一端从壳体的第二通孔伸出，且换热管和壳体在第一通孔、第二通孔处密闭固连；

所述壳体和换热管之间填充有相变材料，换热管用于供换热流体经过、和壳体内的相变材料进行热交换；

所述功率超声波发生器分别和N个功率超声波换能器电气相连，用于激励N个功率超声波换能器工作；

所述N个功率超声波换能器分别设置在壳体外，用于产生超声波加强相变材料固液态间的换热。

作为本发明一种基于超声波强化传热的相变储热装置进一步的优化方案，所述N取2，2个功率超声波换能器设置在壳体两侧，且均平行于所述换热管。

作为本发明一种基于超声波强化传热的相变储热装置进一步的优化方案，所述相变材料采用盐类、水合盐类、合金类、石蜡类、脂肪酸类、醇类脂类中的任意一种相变材料。

本发明还公开了一种该基于超声波强化传热的相变储热装置的换热方法，包含以下过程：

相变材料储热时，换热流体流入换热通道并放出热量，换热通道将热量传递到相变材料，靠近换热通道的相变材料吸收热量后融化，而远离换热通道处的相变材料还处于固态；功率超声波发生器激励各个功率超声波换能器，功率超声波换能器产生超声波向四周发射，利用超声波在液体中产生的空化效应、声流效应以及机械效应，加强液态相变材料的对流，提高相变材料固液界面的对流换热系数，从而加强相变材料固液态间的换热，强化储热；

相变材料放热时，换热流体流入换热通道并吸收热量，相变材料将热量传递给换热通道，靠近换热通道的相变材料优先凝固，而远离换热通道处的相变材料还处于液态；功率超声波发生器激励各个功率超声波换能器，功率超声波换能器产生超声波向四周发射，利用超声波在液体中产生的空化效应、声流效应以及机械效应，加强液态相变材料的对流，提高相变材料固液界面的对流换热系数，从而加强相变材料固液态间的换热，强化放热。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：