CN112923765B - 一种相变储热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相变储热装置，包括储能单元、扰流单元和流体输运通道，储能单元由保温材料、壳体、希尔伯特曲线构型金属骨架和相变材料组成：保温材料包裹在壳体外侧；希尔伯特曲线构型金属骨架均匀分布在壳体内部；相变材料均匀填充在壳体与希尔伯特曲线构型金属骨架之间；扰流体按照阵列均匀贴附在希尔伯特曲线构型金属骨架的流体一侧，扰流体由扰流柱和底板组成，扰流柱按照谢尔宾斯基地毯分形和cantor集分形分布；谢尔宾斯基地毯分形阶数及cantor集分形阶数相等；流体运输通道由渐扩入口、换热通道和渐缩出口组成。本发明能有效增大流体与相变材料的换热面积，使温度分布均匀，增加流体湍流度，提高传热效率，快速高效的进行储热或放热。

Description

一种相变储热装置
技术领域
本发明涉及一种热量存储装置，具体涉及的是一种为提高换热效率而设计的具有希尔伯特曲线结构特征的相变储热装置。
背景技术
随着能源紧缺、环境污染等问题日益严峻，发展利用新型节能技术已成为研究的重点。全球每年能源消耗量巨大，与此同时，大量余热废热未加利用而直接排放，造成能源的巨大浪费，因此，对余热废热进行充分的回收利用将显著节约能源。根据余热资源在利用过程中能量的转换与传递特点，目前余热回收技术主要分为热交换技术、热功转换技术和余热制热制冷技术，其中热交换技术中的储热法应用最广。储热法又可分为显热储热和潜热储热，潜热储热方法利用相变材料(PCM)的相变过程实现能量的存储与释放，因储能密度高、设备体积小、热量输出恒定、***运行稳定等优点成为目前常用的节能手段。然而，现有的相变储热装置结构大多采用单管或管束等简单构型贯穿相变材料，并未考虑相变材料与流体在储热空间内的布置以使两者均匀分布从而获得更高的换热效率；并且，多数设备在流道内添加圆肋、直肋或螺旋肋以加强湍流度来提高换热效果，但是这样结构单一，换热效率不高，因此迫切需要一种新型高效的相变储热装置。
希尔伯特曲线是由德国著名数学家希尔伯特(Hilbert)于1891年提出的一种能填充满一个平面正方形的分形曲线(空间填充曲线)，阶数越高，填充越密。这种特征能使曲线均匀的分布在正方形空间内，均匀性优良。将希尔伯特曲线结构应用于储热装置，可以使相变材均匀分布在流体周围，加快热量传递，提高换热速率；
粗糙表面具有多尺度、自相似等特点，受此启发，将谢尔宾斯基地毯与cantor集这两种特殊的自相似分形几何结构相结合构成扰流体，作为流道的粗糙表面，可破坏流体的热边界层与速度边界层，加强扰动，强化传热。
发明内容
技术问题:本发明所要解决的问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种新型的具有希尔伯特曲线特征构型的相变储热装置，该储热装置能够使热量在储热空间内快速均匀的传递，显著提高储热密度和储热效率，使热量的存储与释放过程更高效稳定的进行。
技术方案：
为解决传统相变储热装置上存在的储热效率低、储热速度慢的问题，本发明采用的技术方案如下：
一种相变储热装置，包括储能单元、扰流单元和流体输运通道，其特征在于：所述储能单元由保温材料、壳体、希尔伯特曲线构型金属骨架和相变材料组成：保温材料包裹在壳体外侧；希尔伯特曲线构型金属骨架均匀分布在壳体内部；相变材料均匀填充在壳体与希尔伯特曲线构型金属骨架之间；扰流体按照阵列均匀贴附在希尔伯特曲线构型金属骨架的流体一侧，所述扰流体由扰流柱和底板组成，所述扰流柱按照谢尔宾斯基地毯分形和cantor集分形分布；谢尔宾斯基地毯分形阶数及cantor集分形阶数相等；流体运输通道由渐扩入口、换热通道和渐缩出口组成。本发明综合希尔伯特曲线、谢尔宾斯基地毯及cantor集分形的优点，设计了一种具有希尔伯特曲线特征的相变储热装置，可实现稳定高效的热量储存与释放。
有益效果：
1.希尔伯特曲线构型金属骨架均匀密铺在储热空间内，使温度分布更均匀，又极大的扩展了流体与相变材料的换热面积，提高传热效率；
2.扰流体具有谢尔宾斯基地毯分形结构和cantor集分形特征，组成自相似、多尺度的粗糙表面，有效破坏换热通道内流体的速度边界层和热边界层，增加扰动，提高传热系数，加强传热效果；
3.整个装置无外功输入，仅流阻略有增加，能耗很低，实用性高。
本装置能有效增大流体与相变材料的换热面积，使温度分布均匀，增加流体湍流度，提高传热效率，快速高效的进行储热或放热。
附图说明：
图1为本发明的相变储热装置的立体结构示意图；
图2为希尔伯特曲线图；
图3为本发明的相变储热装置的腔体水平截面示意图；
图4为本发明的相变储热装置的腔体竖直截面示意图；
图5为本发明的相变储热装置的扰流体结构图；
图6为本发明的相变储热装置的扰流体尺寸示意图；
图7为本发明的相变储热装置的储热过程示意图；
图8为本发明的相变储热装置的放热过程示意图；
图中，1.渐扩入口，2.壳体，3.渐缩出口，4.希尔伯特曲线构型金属骨架，5.相变材料，6.扰流体，7.扰流柱，8.底板，9.热量。
具体实施方式：
下面结合附图进行更进一步的说明：
图1所示为本发明的相变储热装置的立体结构示意图。此相变储热装置包括储能单元、扰流体6和流体输运通道。
储能单元由保温材料、壳体2、希尔伯特曲线构型金属骨架4和相变材料5组成：保温材料包裹在壳体2外侧，具有较高的热阻，能有效防止热量流失；希尔伯特曲线构型金属骨架4均匀分布在壳体2内部，既增大流体与相变材料5的换热面，又使壳体2内部温度分布更加均匀，传热更加快速；相变材料5均匀填充在壳体2与希尔伯特曲线构型金属骨架4之间，并加以密封，利用相变时的潜能快速储存或释放热量8。
扰流体6由扰流柱7和底板8组成，以阵列方式贴附在希尔伯特曲线构型金属骨架4的流体侧表面，具有多尺度和自相似性的特点，作为粗糙表面破坏流体的速度边界层和热边界层，加强扰动，促进传热；流体运输通道由渐扩入口1、换热通道和渐缩出口3组成：渐扩入口1由圆形截面渐扩至正方形截面，换热通道由希尔伯特曲线构型金属骨架4围合而成，渐缩出口3由正方形截面渐缩至圆形截面。
图3、图4分别是本发明的相变储热装置的腔体的水平截面示意图和竖直截面示意图。希尔伯特曲线构型金属骨架4均匀密铺在壳体2内部，使相变材料5与流体的换热面大大增加，强化了热量8的传递，同时，希尔伯特曲线构型金属骨架4使壳体2内温度更均匀，换热效果更好。扰流体6以阵列方式贴附在所述的希尔伯特曲线构型金属骨架的流体一侧，对于流体通道来说，每个凹结构的三个面各贴附一列扰流体6，每个凸结构的两个面各贴附一列扰流体6，贴附多层，构成自相似、多尺度粗糙表面加强流体扰动，破坏流体流动边界层与温度边界层，强化换热。
图5、图6分别为本发明的相变储热装置的扰流体结构图和尺寸示意图。谢尔宾斯基地毯分形阶数及cantor集分形阶数均为n，n≥2，第1阶扰流柱7的正方形底面边长为l1，1μm<l1<1cm，高度为h1，1μm<h1<1cm，第n阶扰流柱7的正方形底面边长ln＝(1/3)n-1l1，高度hn＝an-1h1，0<a<1，底板8的正方形边长l＝3l1，厚度为h，1μm<h<1cm。扰流体6具有谢尔宾斯基地毯结构和cantor集分形特征，具有良好的自相似性和多尺度特点，能有效加强流体扰动，促进传热。
图7为此相变储热装置储热过程示意图。储热时，流体从渐扩入口1流入壳体2，在希尔伯特曲线构型金属骨架4的分流作用下均匀进入换热通道，热量9从流体以对流和导热的方式经过希尔伯特曲线构型金属骨架4传递到相变材料5，相变材料5从固态变为液态，将热量9存储起来。
图8为此相变储热装置放热过程示意图。放热时，流体从渐扩入口1流入壳体2，在希尔伯特曲线构型金属骨架4的分流作用下均匀进入换热通道，热量9从相变材料5以对流和导热的方式经过希尔伯特曲线构型金属骨架4传递到流体，相变材料5从液态变为固态，热量9被释放出来。

Claims (4)

1.一种相变储热装置，包括储能单元、扰流单元和流体输运通道，其特征在于：所述储能单元由保温材料、壳体、希尔伯特曲线构型金属骨架和相变材料组成：保温材料包裹在壳体外侧；希尔伯特曲线构型金属骨架均匀分布在壳体内部；相变材料均匀填充在壳体与希尔伯特曲线构型金属骨架之间；扰流体按照阵列均匀贴附在希尔伯特曲线构型金属骨架的流体一侧，所述扰流体由扰流柱和底板组成，所述扰流柱按照谢尔宾斯基地毯分形和cantor集分形分布；谢尔宾斯基地毯分形阶数及cantor集分形阶数相等；流体运输通道由渐扩入口、换热通道和渐缩出口组成；所述扰流体分形阶数n≥2，第1阶扰流柱的正方形底面边长为l1，1μm<l1<1cm，高度为h1，1μm<h1<1cm，第n阶扰流柱的正方形底面边长ln＝(1/3)n-1l1，高度hn＝an-1h1，0<a<1；所述底板为正方形，所述底板的边长l＝3l1，厚度为h，1μm<h<1cm。
2.根据权利要求1所述的一种相变储热装置，其特征在于：所述渐扩入口由圆形截面渐扩至正方形截面，所述换热通道由希尔伯特曲线构型金属骨架围合而成，所述渐缩出口由正方形截面渐缩至圆形截面。
3.根据权利要求1所述的一种相变储热装置，其特征在于：所述壳体、希尔伯特构型金属骨架、渐扩入口、顶盖和底盖的材料，选用不锈钢、钢、铁或钛。
4.根据权利要求1所述的一种相变储热装置，其特征在于：所述相变材料选用无机相变材料、有机相变材料或复合相变材料。
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