CN101706223A - 有机相变纳米流体蓄热元件 - Google Patents

有机相变纳米流体蓄热元件 Download PDF

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龙建佑
罗恒
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Abstract

本发明涉及一种有机相变纳米流体蓄热元件，特点是：包括通液体或气体的热流体管道，轴向同心间套在热流体管道外的夹层管道，存放在热流体管道与夹层管道间的蓄热材料，设在夹层管道外通液体或气体的冷流体管道及设在冷流体管道外的保温层；热流体管道分别设有进口及出口，夹层管道分别设有进口及出口；冷流体管道分别设有进口和出口。由于相变材料夹层管外管内表面以及内管外表面上均轴向均匀焊接有翅片，实现了相变材料向冷热流体传热双向强化；相变材料采用了高导热系数、均匀稳定分散的石蜡-铝有机相变纳米流体蓄热材料；实现了冷流体、热流体与相变蓄热材料三种物质之间的高效换热；三层同心圆管层层嵌套，蓄热元件结构紧凑。

Description

有机相变纳米流体蓄热元件
技术领域
本发明涉及一种有机相变纳米流体蓄热元件。
背景技术
在现有的能源结构中，热能是最重要的能源之一。但是，大多数能源，如太阳能、风能、地热能和工业余热废热等，都存在间断性和不稳定的特点，在许多情况下人们还不能合理地利用能源。例如：在不需要热时，却有大量的热量产生；而在急需时又不能及时提供；有时供应的热量有很大一部分作为余热被损失掉等等。采用适当的蓄热方式，利用特定的装置，将暂时不用或多余的热能通过一定的蓄热材料储存起来，需要时再利用的方法称为蓄热技术。蓄热技术是有效进行废热回收、提高能源利用效率和保护环境的重要技术，可用于解决热能供给与需求在时间、强度及地点上不匹配的矛盾。
目前的蓄热的方式主要有三种：显热蓄热、相变蓄热和化学反应热蓄热。相变蓄热与显热蓄热、化学反应热蓄热相比，蓄热密度要高得多，能够通过相变在较窄的温度范围内吸收/释放出大量热量。固液相变蓄热方式具有蓄热密度较高(一般200kJ/kg左右)、在蓄放热过程中近似等温、过程易控制等优点，是当今蓄热技术的研究热点，但在实际应用过程中存在的问题，包括材料的物性、材料的相容性、材料的寿命及稳定性等。
中国专利公开了一种发明名称为“利用相变潜热的蓄热装置”、申请号为86208443的相变蓄热技术，其包括容器、相变蓄热材料、加热部件、电极引出线、电源插口、晶种室；该晶种室与容器连接，并通过小孔连通晶种室与容器内腔，晶种室内存有相变蓄热材料晶体。其结构比较复杂，使用时需要对相变材料进行加热，操作比较麻烦。
发明的内容
本发明的目的是提供一种结构简单、易于加工、成本低廉而相变传热效率高的有机相变纳米流体蓄热元件。
为了达到上述目的，本发明是这样实现的，其是一种有机相变纳米流体蓄热元件，其特征在于：包括通液体或气体的热流体管道，轴向同心间套在热流体管道外的夹层管道，存放在热流体管道与夹层管道间的蓄热材料，设在夹层管道外通液体或气体的冷流体管道及设在冷流体管道外的保温层；热流体管道分别设有进口及出口，夹层管道分别设有进口及出口；冷流体管道分别设有进口和出口。
在所述的夹层管道外管内表面以及热流体管道外表面上均轴向均匀焊接有使相变材料向冷热流体传热的双向强化传热翅片。
所述的蓄热材料为高导热系数、均匀稳定分散的石蜡-铝有机相变纳米流体蓄热材料。
本发明与现有技术相比，具有如下技术特点：
1、相变材料夹层管外管内表面以及内管外表面上均轴向均匀焊接有翅片，实现了相变材料向冷热流体传热双向强化；
2、相变材料采用了高导热系数、均匀稳定分散的石蜡-铝有机相变纳米流体蓄热材料；
3、实现了冷流体、热流体与相变蓄热材料三种物质之间的高效换热；
4、三层同心圆管层层嵌套，蓄热元件结构紧凑。
附图说明
图1为本发明的结构原理图；
图2是图1的A-A断面图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详述：
如图1、2所示，为了实现冷流体、热流体与固液相变材料三种物质之间的高效换热，有机相变纳米流体蓄热元件包括热流体管道1、夹层管道2和冷流体管道3、设在夹层管内的有机相变纳米流体相变蓄热材料4及设在冷流体通道外壁上的保温层5。为了强化相变传热，在夹层管道外管内表面以及内管外表面上均径向均匀焊接有翅片6，实现了相变材料向冷热流体传热双向强化。翅片可以是平翅片、波纹翅片或冲缝翅片等多种形式。
工作时，热流体管道1内流热流体，热流体通过夹层管道2内壁面将热量传递给夹层管中的有机相变纳米流体蓄热材料4，使得相变材料吸热融化，从而达到高密度蓄热的目的；在需要用热的时候，相变材料通过夹层管外壁面将热量释放到冷流体通道3内的冷流体，加热冷流体的同时相变材料自身凝固。如此循环，可反复使用。
加工热流体管道1外管时，先在平直矩形薄钢板上等距离焊接上翅片，然后向内卷制成筒状，最后焊接好缝口；而加工夹层管道2内管时，先在平直矩形薄钢板上等距离焊接上翅片，然后向外卷制成筒状，最后焊接好缝口。
配置有机相变纳米流体相变蓄热材料，具体方法如下：
第一步：称取与纳米铝等摩尔的油酸(OA)，用100ml无水乙醇充分溶解，再与纳米铝混合，超声振动加热反应1小时后，离心分离，用无水乙醇反复洗涤，真空烘干，完成对纳米铝的表面改性。
第二步：先用电子天平称取好一定数量的56#半精练石蜡，加热到70℃使其完全熔化；再用电子天平称经表面改性的纳米铝，添加到熔化的石蜡中，配成浓度为9％的石蜡-铝纳米相变蓄热材料；再用电子天平称取一定量阴离子型化学纯SDBS，加入到所配置的一定浓度的石蜡-铝纳米相变蓄热材料中。
第三步：再将试样加热到70℃进行超声振动2小时。
实验结果：56#半精练石蜡-铝纳米相变蓄热材料(含纳米铝9％)，添加0.5％SDB分散稳定性最好。用差示扫描量热法测得所制备的石蜡-铝纳米相变蓄热材料(含纳米铝9％)熔点为55.36℃，相变潜热为165.1J/g。用瞬态平面热源技术测试所制备的石蜡-铝纳米相变蓄热材料(含纳米铝9％)固态和液态导热系数分别为：0.346W/(m·K)和0.294W/(m·K)，比56#半精练石蜡分别增加49.14％和62.28％，大大提高了石蜡的导热系数。

Claims (3)

1.一种有机相变纳米流体蓄热元件，其特征在于：包括通液体或气体的热流体管道(1)，轴向同心间套在热流体管道外的夹层管道(2)，存放在热流体管道与夹层管道间的蓄热材料(4)，设在夹层管道外通液体或气体的冷流体管道(3)及设在冷流体管道外的保温层(5)；热流体管道(1)分别设有进口(11)及出口(12)，夹层管道(2)分别设有进口(21)及出口(22)；冷流体管道(3)分别设有进口(31)和出口(32)。
2.根据权利要求1所述的有机相变纳米流体蓄热元件，其特征在于：在所述的夹层管道(2)外管内表面以及热流体管道(1)外表面上均轴向均匀焊接有使相变材料向冷热流体传热的双向强化传热翅片(6)。
3.根据权利要求1所述的有机相变纳米流体蓄热元件，其特征在于：所述的蓄热材料(4)为高导热系数、均匀稳定分散的石蜡-铝有机相变纳米流体蓄热材料。
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