CN106123661A - 一种微热管阵列板相变蓄放热方法与*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微热管阵列板相变蓄放热方法与***，所述微热管阵列板设置于相变蓄热材料内，周围的相变蓄热材料通过与微热管阵列板直接导热换热；所述微热管阵列板的部分表面分别通过蓄热换热器或者放热换热器进行换热，由此实现直接加热与冷源回路或者热源回路与冷源回路对相变蓄热材料进行快速蓄热与放热。它能有效地解决现有盘管式换热器改造的蓄热器体积大、管路阻力大、制造成本高、相变材料导热性能差与流动性能差造成的与蓄放热回路之间的热阻极大、蓄放热效果不理想、无法直接利用电加热蓄热的问题，实现低温差、大功率的蓄放热，还可方便地进行串联、并联组装，从而形成各种规模的蓄热集成产品。

Description

一种微热管阵列板相变蓄放热方法与***

技术领域

本发明涉及热量高效存储、释放与交换***，具体的涉及一种高效相变蓄能***。

背景技术

21世纪的今天，能源的利用和开发成为了全球的热点，能源的充分利用俨然成为各行各业致力研究的方向。节能和提高能源的利用率是目前最为热门的话题。为减少碳的排放、保护环境，提高能源利用率已成为当今国际社会需要解决的重要课题，其中蓄能技术的开发与利用又是提高能源利用率的关键手段，主要应用于太阳能热储存、电力“移峰填谷”、工业废热和余热的回收等领域。

相变蓄热以其蓄热密度大、温度变化小、容易控制等优点，日益成为合理利用能源、提高能源利用率、减小环境污染的首要选择。相变材料与蓄热器结构是目前蓄热技术研究的两个主要方面，只有将两方面有机的结合才能达到理想的蓄热效果。蓄热***中，蓄热器结构是相变储能技术的骨架，目前绝大多数的蓄热器主要以盘管为主要换热结构，不但体积大、阻力大、成本高，同时对换热器换热性能的提高也不是很明显，尤其是蓄放热过程不仅降低热能的品位，即蓄热过程需要高温热源，放热过程则大幅降低使用温度，而且蓄放热过程温度很不稳定，存在蓄放热功率低、速度慢、蓄放热温差巨大、无法直接电加热蓄热等等固有缺点，所以无论国内国外相变蓄热器一直无法大规模产业化。优化蓄热器的结构是本领域一直在尝试和探索的方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微热管阵列板相变蓄热***，它能有效地解决现有盘管式换热器改造的蓄热器体积大、管路阻力大、制造成本高、尤其是由于相变材料导热性能差与流动性能差造成的与蓄放热回路之间的热阻极大、蓄放热效果不理想、难以在产业上推广应用的问题，实现低温差、大功率的蓄放热，可以直接应用于太阳能蓄热、余热利用、低谷电储热等新能源与节能领域的技术问题，同时最大限度保持所蓄热能的使用品位、大放热功率，以及解决供热设施需要占用庞大地面空间的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种微热管阵列板相变蓄放热方法，其特征在于：所述微热管阵列板设置于相变蓄热材料内；所述微热管阵列板周围的相变蓄热材料通过与微热管阵列板本体或者微热管阵列板上的翅片直接导热换热；所述微热管阵列板的部分表面分别通过蓄热换热器或者放热换热器进行换热；所述蓄热换热器是加热装置或者是与热源连接的介质循环回路的换热部分；所述放热换热器是与冷源连接的介质循环回路的换热部分，由此实现直接加热与冷源回路或者热源回路与冷源回路对相变蓄热材料进行快速蓄热与放热。

优选的，相变材料的任何一点与所述微热管阵列板本体或者微热管阵列板上的翅片的最短距离为1～10mm。

优选的所述加热装置是电加热器。

采用上述方法的相变蓄热***，其特征在于：包括微热管阵列板蓄热器，换热器，分别连接用户侧、热源与换热器的管路以及连接换热器与蓄热器的管路，所述用户侧与热源通过换热器与蓄热器发生热交换，

其中所述蓄热器的内部排列有一个或一个以上蓄热单元，每个蓄热单元包括前后并排设置的两组微热管阵列板以及位于表面的翅片，所述微热管阵列板两端分别为取热端和加热端，且所述热源回路和冷源回路在加热端与取热端的两组微热管阵列板之间设置为与微热管阵列板紧贴的换热水管，所述蓄热器内部空隙处填充相变蓄热材料；

当处于蓄热工况时，热源回路从换热器获得热源的热量并传递至加热端的换热水管，每个蓄热单元的微热管阵列板把热量从加热端向上传递，并由蓄热材料将热量储存起来；当处于取热工况时，微热管阵列板将热量从蓄热材料中传递到取热端，并通过换热水管将热量由冷源回路带走通过换热器传递给用户侧。

优选的，当处于蓄热工况时，换热器通过第一输入管路连接第一四通阀后再连通加热端的换热水管，然后返回第一四通阀并再连接与换热器连通的第一输出管路；当处于取热工况时，第一输入管路通过第一四通阀后连通取热端的换热水管，然后返回第一四通阀并再连接与换热器连通的第一输出管路。

优选的，所述换热器通过第二四通阀连接用户侧和热源；所述换热器连接第二四通阀的第二输出管路进入第二四通阀后分成两路，分别与用户侧和热源连通并返回第二四通阀，且均再连通第二四通阀通往换热器的第二输入管路，其中与用户侧连通的管路形成用户侧放热环路，与热源连通的管路形成热源充热环路。

另一种采用前述方法的相变蓄热***，其特征在于：包括微热管阵列板蓄热器，换热器，连接用户侧与换热器的管路以及连接换热器与蓄热器的管路，所述用户侧通过换热器与蓄热器发生热交换，

其中所述蓄热器的内部排列有一个或一个以上蓄热单元，每个蓄热单元包括前后并排设置的两组微热管阵列板以及位于表面的翅片，所述微热管阵列板两端分别为取热端和加热端，且所述加热端设置有加热装置，所述冷源回路在取热端的两组微热管阵列板之间设置为与微热管阵列板紧贴的换热水管，所述蓄热器内部空隙处填充相变蓄热材料；

当处于蓄热工况时，每个蓄热单元的微热管阵列板把热量从加热端的加热装置向上传递，并由蓄热材料将热量储存起来；当处于取热工况时，微热管阵列板将热量从蓄热材料中传递到取热端，并通过换热水管将热量由冷源回路带走通过换热器传递给用户侧。

优选的，所述加热端的加热装置采用电加热式，加热端设置有直接或者间接式电加热器，或者在相变材料容器的底部的外部设置有分体式电加热器或电磁加热器，所述电加热器或电磁加热器与相变材料容器底板贴合并加热容器底板后再通过相变材料或者与所述相变材料容器底板接触的微热管阵列换热。

优选的，当处于蓄热工况时，加热端的电加热器加热；当处于取热工况时，第一输入管路通过第一四通阀后连通取热端的换热水管，然后返回第一四通阀并再连接连通换热器的第一输出管路。

优选的所述微热管阵列板内孔的等效直径为0.3～3.5mm。

优选的所述散热翅片为铝翅片，翅高为5mm～100mm，翅厚为0.1～1.2mm，翅间间距为4～30mm。

优选的所述蓄热器外部有保温层的箱体。

所述箱体进一步优选为长方体或者柱形容器。

本发明的技术效果：

本发明的目的在于提供一种微热管阵列板相变蓄热方法和***，它能有效地解决现有盘管式换热器改造的蓄热器体积大、管路阻力大、制造成本高、尤其是由于相变材料导热性能差与流动性能差造成的与蓄放热回路之间的热阻极大、蓄放热效果不理想、无法直接利用电加热蓄热的问题，实现低温差、大功率的蓄放热，可以直接应用于太阳能蓄热、余热利用、低谷电储热等新能源与节能领域的技术问题，同时最大限度保持所蓄热能的使用品位、大放热功率，且不需要锅炉等辅助加热设备就可实现电能的直接蓄热，不仅如此，本发明的产品还可方便地进行串联、并联组装，从而形成各种规模的蓄热集成产品。

本发明的相变蓄放热***优选的由三个部分构成：

(1)微热管阵列板蓄热器

该蓄热器为矩形容器，外壳为铝板制作的矩形容器加聚氨酯发泡保温，装置内部由蓄热单元阵列而成，采用如石蜡等作为相变蓄热材料，蓄热单元是基于微热管阵列板这种高性能传热材料设计而成，蓄热单元优选的由两个平板热管、分别位于两个平板热管顶端的取热端和底端的加热端内部的两个换热水管和三组翅片组成，微热管阵列板内部包括换热工质，通过换热工质的遇热蒸发吸热、遇冷冷凝放热的相变实现由下而上的快速传递热量。蓄热器根据蓄热时蓄热换热器热源的不同可分为单一热水换热式、单一电加热式、电加热与热水换热混合式等类型，其主要区别在于下部，电加热式的在下部扁管处或相变材料外部设有电加热器，热水换热式在下部扁管处有换热水管。

由于蓄热器的核心部件——微阵列平板热管的传热特性通常为由下向上，所以该蓄热器分为蓄热和取热两种工况。

蓄热工况：加热端为底部的扁管的换热水管或者底部的加热装置，由平板热管把热量传递到蓄热段，再通过翅片把热量换给相变蓄热材料，达到蓄热的目的。其中，加热端可以设置有直接或者间接式电加热器，或在相变材料容器的底部的外部设置可以有分体式电加热器或电磁加热器，所述电加热器或电磁加热器与相变材料容器底板贴合并加热容器底板后再通过相变材料或者与所述相变材料容器底板接触的微热管阵列换热然后通过微热管阵列与所述容器内其它相变材料换热的间接式电加热蓄热方法，可以实现所述电加热器或电磁加热器与相变材料箱体的分体和间接接触，既保证所述容器底部没有因为开孔有泄露风险，同时还保证所述电加热器或电磁加热器的维护。

取热工况：取热时，热管通过翅片与相变蓄热材料换热，并把热量向上传递到上部的放热换热器的扁管，载热剂流(水)经上部的扁管将热量带走，达到取热的目的。

(2)热运输管路

热运输管路连通换热器与用户和热源以及换热器与蓄热器，主要功能是高效的运输热量，优选的以软化处理过的水做载热剂，其主要由管道、水泵、阀门等组成，分为蓄热和取热两种工况进行传输。

(3)换热器

优选由板式换热器构成，可以从市场订购，其功率、尺寸根据具体情况由用户要求而定。

本发明的***为封闭***，其充放热均通过换热器与外界进行热量交换，当热源(工厂废热、太阳能等)有多余热量产生而用户消耗不完时，***进入蓄热阶段，热源通过热源充热环路将热量传给换热器，然后换热器再通过***放热环路的输入管路将热量供给蓄热器，从而使热量储存起来，或通过对蓄热器的取热端进行加热而将热量储存起来；当外界热源不能满足用户需求时(比如太阳能***夜间需要热量时)，***进入放热阶段，热量通过***放热环路的输出管路将热量传至换热器，然后将热量通过用户侧放热环路输送给用户侧，从而使得用户侧温度升高满足加热需要。各环路工作的开启和关闭通过各四通阀结合实际需求控制。本发明将一种新型微热管阵列板相变蓄热器作为主要的蓄热核心元件，利用一套简单的环路从而实现了对废热及太阳能等间断性热源进行热量储存，并对储存的热量在需要利用时进行快速释放，从而达到热量的储存和释放。根据不同的情况和需求，也可将热量来源设置为蓄热器的加热装置，例如电加热带，底部间接加热器等。

本发明在蓄热器内将微型热管作为传热导体，代替常规的盘管式换热，较普通的盘管式蓄热换热器相比，换热效率更高，蓄热与取热更快，而且大大减小了载热剂的流动阻力，结构上比较简单，满足同等换热量下的费用也大大降低，使得装置更加紧凑，且在采用由微热管组成的换热平板作为传热核心部件、采用石蜡或者其它固‐液相变温度介于0℃—120℃且潜热较大以及安全可靠的材料作为相变蓄热材料后，蓄、放热效率达到96％左右。在采用纳米技术对相变蓄热材料石蜡进行改性后，蓄、放热性能进一步得到保证；本发明采用散热翅片后，换热面积大幅增大，换热效果得到增强；采用石蜡作为相变材料，石蜡融解热大、性能稳定、无腐蚀性且在有机PCM中价格最低，符合经济性要求。

本发明利用新型微热管阵列板相变蓄热器作为相变蓄热***的传热核心部件，并通过增加换热器和包括四通阀的充放热环路，将***内部充放热循环与外界用户和热源循环分隔开，利用换热器完成两者间的热量储存和释放，在***结构和换热过程上改善了换蓄热***的换热传热方式，从而使得***传热蓄热效能提高且能够以不同形式组合利用，满足不同形式对热量的高效储存和利用。

附图说明

图1为实施例1的蓄热工况整体示意图；

图2为实施例1的放热工况整体示意图；

图3为实施例1的蓄热器立体示意图；

图4为实施例1的蓄热器正视示意图；

图5为实施例1的蓄热单元的端部示意图；

图6为实施例2的蓄热单元的加热端示意图；

图7为实施例3的蓄热单元的加热端示意图；

图8为实施例3的放热工况整体示意图；

图中附图标记列示如下：

1-蓄热器，2-第一四通阀，3-换热器，4-第二四通阀，5-第一输入管路，6-第一输出管路，7-用户侧放热环路，8-热源充热环路，9-用户侧，10-热源，11-膨胀水箱，12-循环泵，13-取热端，14-加热端，15-蓄热单元，16-外壳，17-微热管阵列板，18-换热水管；19-电加热带。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例的加热端为热水换热式。整体由图1和图2所示，包括微热管阵列板蓄热器1、换热器3，以及连接用户侧9、热源10与换热器3、蓄热器1的管路和切换管路连接关系的第一四通阀2和第二四通阀4，所述用户侧9与热源10通过换热器3与蓄热器1发生热交换。

所述蓄热器1整体为1.1×1.6×0.4的矩形容器，外壳16为铝板制作的矩形容器加聚氨酯发泡保温，其内部由蓄热单元15按10×9阵列而成，如图3、4所示。所述蓄热单元15是基于微热管阵列板17这种高性能传热材料设计而成，每个蓄热单元15由前后并排设置的两个微热管阵列板17、两个换热水管18和位于表面的三组翅片组成，所述微热管阵列板17内部包括换热工质，两个换热水管18分别嵌于两组微热管17之间的上端和下端处，在取热端或加热端的结构如图5所示。所述微热管阵列板17上端为取热端13、下端为加热端14，各蓄热单元15位于上端取热端13和下端加热端14的换热水管18分别串联连通并与外部第一输入管路5和第一输出管路6连通，如图3、4所示。蓄热器1中部为蓄热段，内部空隙处采用工业石蜡作为相变蓄热材料。

各管路以软化处理过的水做载热剂。当处于蓄热工况时，如图1中箭头所示，热源10通过热源充热环路8不断的向换热器3循环输送热量；第一输入管路5从换热器3出来后通过第一四通阀2然后连通加热端14的换热水管18，再返回第一四通阀2并再连接连通换热器3的第一输出管路6。从换热器3获得热量的载热剂流经各蓄热单元15的加热端14时，微热管阵列板17内部工质受热蒸发并将热量以蒸汽形式由下向上传递，并在蓄热段将热量传导至石蜡蓄热材料中储存起来，热量被取走的载热剂返回换热器3获得热量进行下一次蓄热循环。当处于取热工况时，如图2中箭头所示，微热管阵列板17将热量从蓄热材料中传递到取热端13，并通过取热端13的换热水管18内的载热剂将热量带走，然后载热剂通过第一四通阀并通过第一输出管路6返回换热器3，热量由换热器3通过用户侧放热环路7传递给用户侧9，热量被取走的载热剂再进入用户侧放热环路7并通过换热器3进行下一次取热循环。

实施例2

本实施例的加热端14为电加热与热水混合式，如图6所示，加热端14的微热管阵列板17外包裹电加热带19，在蓄热工况下，电加热带19和载热剂同时向蓄热单元的蓄热段提供热量。其它结构和工作原理同实施例1。

实施例3

本实施例的加热端14为单一电加热式，仅取热端13的微热管阵列板17内嵌有换热水管，加热端14的微热管阵列板17内无换热水管，微热管阵列板17外包裹电加热带19，加热端14的结构如图7所示。

本实施例的管路结构也有所不同。由于采用的单一的电加热式，因此无需热源和热源充热环路。当处于蓄热工况时，加热端14的电加热带19加热，微热管阵列板17内部工质受热蒸发并将热量以蒸汽形式由下向上传递，并在蓄热段将热量传导至石蜡蓄热材料中储存起来。当处于取热工况时，如图8中箭头所示，微热管阵列板17将热量从蓄热材料中传递到取热端13，并通过取热端13的换热水管18内的载热剂将热量带走，然后载热剂通过第一输出管路6返回换热器3，然后热量通过换热器3再通过用户侧放热环路7传递给用户侧9，热量被取走的载热剂再进入用户侧放热环路7并通过换热器3进行下一次取热循环。

此外，电加热器也可设置为在相变材料容器的底部的外部设置分体式电加热器或电磁加热器，所述电加热器或电磁加热器与相变材料容器底板贴合并加热容器底板后再通过相变材料或者与所述相变材料容器底板接触的微热管阵列换热然后通过微热管阵列与所述容器内其它相变材料换热的间接式电加热蓄热方法，可以实现所述电加热器或电磁加热器与相变材料箱体的分体和间接接触，既保证所述容器底部没有因为开孔有泄露风险，同时还保证所述电加热器或电磁加热器的维护。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，例如蓄热单元和微热管阵列板排布方式和数量、翅片形状数量、不同工质和载热剂等的替换、管路不同的连接方式等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种微热管阵列板相变蓄放热方法，其特征在于：所述微热管阵列板设置于相变蓄热材料内；所述微热管阵列板周围的相变蓄热材料通过与微热管阵列板本体或者微热管阵列板上的翅片直接导热换热；所述微热管阵列板的部分表面分别通过蓄热换热器或者放热换热器进行换热；所述蓄热换热器是加热装置或者是与热源连接的介质循环回路的换热部分；所述放热换热器是与冷源连接的介质循环回路的换热部分，由此实现直接加热与冷源回路或者热源回路与冷源回路对相变蓄热材料进行快速蓄热与放热。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：相变材料的任何一点与所述微热管阵列板本体或者微热管阵列板上的翅片的最短距离为1～10mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述加热装置是电加热器。

4.采用权利要求1-2任一所述方法的相变蓄热***，其特征在于：包括微热管阵列板蓄热器，换热器，分别连接用户侧、热源与换热器的管路以及连接换热器与蓄热器的管路，所述用户侧与热源通过换热器与蓄热器发生热交换，

其中所述蓄热器的内部排列有一个或一个以上蓄热单元，每个蓄热单元包括前后并排设置的两组微热管阵列板以及位于表面的翅片，所述微热管阵列板两端分别为取热端和加热端，且所述热源回路和冷源回路在加热端与取热端的两组微热管阵列板之间设置为与微热管阵列板紧贴的换热水管，所述蓄热器内部空隙处填充相变蓄热材料；

当处于蓄热工况时，热源回路从换热器获得热源的热量并传递至加热端的换热水管，每个蓄热单元的微热管阵列板把热量从加热端向上传递，并由蓄热材料将热量储存起来；当处于取热工况时，微热管阵列板将热量从蓄热材料中传递到取热端，并通过换热水管将热量由冷源回路带走通过换热器传递给用户侧。

5.根据权利要求4所述的***，其特征在于：当处于蓄热工况时，换热器通过第一输入管路连接第一四通阀后再连通加热端的换热水管，然后返回第一四通阀并再连接与换热器连通的第一输出管路；当处于取热工况时，第一输入管路通过第一四通阀后连通取热端的换热水管，然后返回第一四通阀并再连接与换热器连通的第一输出管路。

6.根据权利要求4或5所述的***，其特征在于：所述换热器通过第二四通阀连接用户侧和热源；所述换热器连接第二四通阀的第二输出管路进入第二四通阀后分成两路，分别与用户侧和热源连通并返回第二四通阀，且均再连通第二四通阀通往换热器的第二输入管路，其中与用户侧连通的管路形成用户侧放热环路，与热源连通的管路形成热源充热环路。

7.采用权利要求1-3任一所述方法的相变蓄热***，其特征在于：包括微热管阵列板蓄热器，换热器，连接用户侧与换热器的管路以及连接换热器与蓄热器的管路，所述用户侧通过换热器与蓄热器发生热交换，

其中所述蓄热器的内部排列有一个或一个以上蓄热单元，每个蓄热单元包括前后并排设置的两组微热管阵列板以及位于表面的翅片，所述微热管阵列板两端分别为取热端和加热端，且所述加热端设置有加热装置，所述冷源回路在取热端的两组微热管阵列板之间设置为与微热管阵列板紧贴的换热水管，所述蓄热器内部空隙处填充相变蓄热材料；

当处于蓄热工况时，每个蓄热单元的微热管阵列板把热量从加热端的加热装置向上传递，并由蓄热材料将热量储存起来；当处于取热工况时，微热管阵列板将热量从蓄热材料中传递到取热端，并通过换热水管将热量由冷源回路带走通过换热器传递给用户侧。

8.根据权利要求7所述的***，其特征在于：所述加热端采用电加热式，加热端设置有直接或者间接式电加热器，或者在相变材料容器的底部的外部设置有分体式电加热器或电磁加热器，所述电加热器或电磁加热器与相变材料容器底板贴合并加热容器底板后再通过相变材料或者与所述相变材料容器底板接触的微热管阵列换热。

9.根据权利要求8所述的***，其特征在于：当处于蓄热工况时，加热端的电加热器加热；当处于取热工况时，第一输入管路通过第一四通阀后连通取热端的换热水管，然后返回第一四通阀并再连接连通换热器的第一输出管路。

10.根据权利要求4或7所述的***，其特征在于所述微热管阵列板内孔的等效直径为0.3～3.5mm。