CN113340137B - 一种扰动混合的快速储热模组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扰动混合的快速储热模组，该模组包括中心柱状蒸汽腔、枝杆蒸汽腔、轴向扇叶式肋片、径向扇叶式肋片和相变容器。所述中心柱状蒸汽腔布置在相变容器内部，通过骨架可旋转支撑与相变容器连接；所述枝杆蒸汽腔与中心柱状蒸汽腔内部相互连通，且沿其径向对称分布；所述轴向扇叶式肋片和径向扇叶式肋片均是由多个尺寸大小不同的叶片腔肋组成的偏心扇叶结构，分别与中心柱状蒸汽腔和枝杆蒸汽腔的外表面间隙配合，在外部冲击或扰动作用下，因重心偏移可分别促进相变容器内工质沿轴向和径向的混合；所述相变容器内布置有上述中心柱状蒸汽腔、多组轴向扇叶式肋片以及多组径向扇叶式肋片，其它部分填充具有吸热和放热功能的相变工质。

Description

一种扰动混合的快速储热模组

技术领域

本发明涉及快速储热技术领域，具体涉及需要高效储热或散热冷却的***。

背景技术

现有的储热技术主要有三种，包括显热存储、潜热存储和化学反应储热。其中潜热存储***具有储能密度高、温度变化小等特点，已经被成功应用于太阳能热利用、风能存储、工业余热回收、建筑节能、电子设备散热等方面。但是，在潜热存储***中所使用相变材料较低的热导率会严重削弱热能的存储和释放速率。所以，有很多研究人员使用翅片管和封装的相变材料以增大传热面积，如管壳式储热***、微胶囊化相变材料。虽然翅片管对于常规的热交换器有着很高的性能增强效果，对潜热存储***也十分有效，但传统的翅片均为固定的结构，仅依靠导热的作用进行热传递，且固定的翅片结构将相变工质分隔，阻碍工质的流动，导致热量的分布严重不均匀。在传统的相变材料的储热阶段，因密度的差异与浮升力作用，固态工质吸热变为液态并向上运动，容器内部产生自然对流可促进相变材料整体温度的均匀性，但是在水平方向上的不均匀性仍然存在，且依靠相变工质自然对流或固定的翅片结构均无法有效改善，导致相变容器内放热速率减慢，严重影响了储热设备的效率与重复使用性。在一些特定使用条件，如国防、汽车、石油勘探等***中，设备通常会面临震动、冲击、摇摆等问题，这些过程本身是机械能的体现，我们寄希望于此机械能在增强储热过程的均匀性方面加以利用。

专利CN212116004U所公开的一种翅片结构复合型储热装置，通过使用热管和翅片等多种结构的配合，迅速将热量传导到内部各个位置，实现热量的快速存储。该专利提出了热管搭配翅片的思路，但金属翅片为固定件仅能通过导热方式传递热量，该翅片结构为固定的连接方式，仅能通过导热方式传递热量，未有依靠机械能增强轴向和径向对流换热的描述，与本专利结构及设计思路不相同。

专利CN104718422A所公开的一种用于储热***的热交换器，通过使用径向和纵向延伸的两种翅片来增加管和相变材料之间的热交换区域，提高相变材料储热的效率。该专利提出了一种类似放射状的翅片类型，可将管的热量均匀化向空间扩散。但是，该专利提出的金属翅片为固定连接方式，仅能通过导热方式传递热量，未有依靠机械能增强轴向和径向对流换热的描述，与本专利结构及设计思路不相同。

专利CN101818955A所公开的一种蓄热式风力制热机，通过风力来驱动支架杆的转动，并利用支架杆上的搅拌叶片组来搅拌液体物质，完成机械能向热能的转换，从而实现风力制热的功能。该专利提出了一种搅拌叶片组，可实现对容器中液体的搅拌，也是一种增强对流的方式。但是，该搅拌叶片组需要持续的外部驱动，不能通过外部的短时间冲击或扰动来产生持续的搅拌效果，与本专利结构与设计思路不同。

专利CN108020107A所公开的一种旋转式相变蓄热器，通过使用旋转叶片，在液态相变材料内部产生强制对流，增强了液态相变材料的换热效率。但是，该旋转叶片需要持续的外部驱动，不能通过外部的短时间冲击或扰动来产生持续的搅拌效果，与本专利结构与设计思路不同。

发明内容

本发明针对现有潜热式热存储***相变材料导热系数低、热量传递不均匀、储热和放热速率慢等问题，提出一种包括中心柱状蒸汽腔、枝杆蒸汽腔、轴向扇叶式肋片、径向扇叶式肋片和相变容器的扰动混合快速储热模组。该模组可应用于震动、冲击、摇摆等条件下的情况，利用上述条件下的机械能增强相变材料内部的对流换热，提升相变材料内传热的均匀性，提高***的储热或散热速率。

本发明解决上述问题的技术方案是：

提供一种扰动混合的快速储热模组，其特征在于：包括至少一个中心柱状蒸汽腔、枝杆蒸汽腔、轴向扇叶式肋片、径向扇叶式肋片和相变容器；所述中心柱状蒸汽腔布置在相变容器内部，通过骨架可旋转支撑与相变容器连接；所述枝杆蒸汽腔与中心柱状蒸汽腔内部填充气液相变介质且相互连通，枝杆蒸汽腔沿中心柱状蒸汽腔的径向对称分布；所述轴向扇叶式肋片可沿中心轴方向布置多组，轴向扇叶式肋片具有偏心扇叶结构，且与上述中心柱状蒸汽腔外表面间隙配合，为可转动连接，轴向扇叶式肋片类似于风扇的形状，每个叶片均呈一定角度扭转，与中心柱状蒸汽腔的任意横截面不重合；所述径向扇叶式肋片与枝杆蒸汽腔外表面间隙配合，为可转动连接，其形状与轴向扇叶式肋片相似，每个叶片均呈一定角度扭转，与所连接枝杆蒸汽腔的任意横截面不重合，在外部冲击或扰动作用下因重心偏移可促进相变容器内工质沿径向的混合；所述相变容器内布置有上述中心柱状蒸汽腔、多组轴向扇叶式肋片以及多组径向扇叶式肋片，其它部分为具有吸热和放热功能的相变工质填充。

优选方案进一步包括如下任一技术特征：

所述中心柱状蒸汽腔与相变容器的连接存在一个可旋转的自由度，可在外部冲击或扰动作用下，因对称分布的枝杆蒸汽腔偏离水平的平衡位置，而绕自身中心轴产生旋转。

所述枝杆蒸汽腔与中心柱状蒸汽腔内部连通，且沿径向均匀分布，内部填充气液相变介质，且内部通道表面布置有多孔毛细结构，为液体回流提供动力。

所述轴向扇叶式肋片与单组径向扇叶式肋片，均是由多个尺寸大小不同的叶片腔肋组成的偏心扇叶结构，分别与中心柱状蒸汽腔和枝杆蒸汽腔的外表面间隙配合，且与各自连接组件的任意横截面不重合，可在外部的冲击或扰动作用下摆动或者是转动。

所述轴向扇叶式肋片与单组径向扇叶式肋片，由一个环状蒸汽腔和多个尺寸不同的叶片腔肋构成，多个尺寸不同的叶片腔肋围绕环状蒸汽腔的中心轴偏心布置且和环状蒸汽腔的内部相互连通，内部填充气液相变介质，且内部通道表面布置有多孔毛细结构，为液体回流提供动力。

所述叶片腔肋，具有类似于风扇单个叶片的形状，且中间镂空构成环状通道，构成内部气液相变介质蒸发与冷凝的回路，同时中间镂空的部分可增强外部相变工质的混合。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本发明提供的一种扰动混合的快速储热模组，其中心柱状蒸汽腔通过骨架可旋转支撑与相变容器的连接存在一个可旋转的自由度，可在外部冲击或扰动作用下，因对称分布的枝杆蒸汽腔偏离水平的平衡位置，而绕自身中心轴产生旋转；枝杆蒸汽腔与中心柱状蒸汽腔内部填充气液相变介质且相互连通，可实现热量的均匀、快速传导，枝杆蒸汽腔沿中心柱状蒸汽腔的径向对称分布；其轴向扇叶式肋片可沿中心轴方向布置多组，轴向扇叶式肋片具有偏心扇叶结构，且与上述中心柱状蒸汽腔外表面间隙配合，为可转动连接，扇叶式肋片类似于风扇的形状，与中心柱状蒸汽腔的任意横截面不重合，在外部冲击或扰动作用下因重心偏移促进相变容器内工质沿轴向的混合；其径向扇叶式肋片与枝杆蒸汽腔外表面间隙配合，为可转动连接，其形状与轴向扇叶式肋片相似，与所连接的枝杆蒸汽腔的任意横截面不重合，在外部扰动存在时因重心偏移可促进相变容器内工质沿径向的混合；轴向扇叶式肋片与单组径向扇叶式肋片，由一个环状蒸汽腔和多个尺寸不同的叶片腔肋构成，多个尺寸不同的叶片腔肋围绕环状蒸汽腔的中心轴偏心布置且与环状蒸汽腔的内部相互连通，内部填充气液相变介质，且内部通道表面布置有多孔毛细结构，为液体回流提供动力；中心柱状蒸汽腔内部的气液相变介质吸收热源的热量后汽化，气态介质在中心柱状蒸汽腔和枝杆蒸汽腔的内部通道中均匀扩散，将热源的热量均匀扩散至中心柱状蒸汽腔和枝杆蒸汽腔的表面；轴向扇叶式肋片沿中心轴方向布置多组，与中心柱状蒸汽腔的连接处涂抹有润滑作用的导热油脂，环状蒸汽腔内部的气液相变介质吸收了中心柱状蒸汽腔表面的热量后汽化，将热量均匀扩散至整个轴向扇叶式肋片的表面；叶片腔肋和环状蒸汽腔的内部相互连通，且中间镂空构成环状通道，构成内部气液相变介质蒸发与冷凝回路，可将热量向容器空间快速转运；多组径向扇叶式肋片在容器中沿对称径向分布，与枝杆蒸汽腔的连接处涂抹有润滑作用的导热油脂，其热量扩散机制和轴向扇叶式肋片类似；容器内相变材料自轴向扇叶式肋片和径向扇叶式肋片吸收大量的热，实现热量的存储；轴向扇叶式肋片和径向扇叶式肋片均是由多个尺寸大小不同的叶片腔肋组成的偏心扇叶结构，分别与中心柱状蒸汽腔和枝杆蒸汽腔的外表面间隙配合，且与各自连接组件的任意横截面不重合，扇叶肋片的中间环状蒸汽腔的直径稍微大于柱状蒸汽腔和枝杆蒸汽腔的外表面直径，扇叶肋片套在上面旋转，两者之间为可转动连接而且内部不连通，可在外部的冲击或扰动作用下摆动或转动，分别促进相变容器内工质沿轴向和径向的混合，增强容器内部相变工质的对流作用，实现相变材料整体温度统一、均匀变化；在所述相变容器中布置多组上述轴向扇叶式肋片和径向扇叶式肋片，相比于传统的潜热存储***，增强了容器内部的对流换热，提升了相变材料的温度均匀性，实现了相变材料的同步、快速储热，有效改善了相变材料温度分布不均匀、储热和放热速率慢的问题。

附图说明

图1是本发明扰动混合的快速储热模组的整体结构示意图。

图2是本发明扰动混合的快速储热模组扇叶式肋片的结构示意图。

图3是本发明扰动混合的快速储热模组中心柱状蒸汽腔与枝杆蒸汽腔的内部结构示意图。

图4是本发明扰动混合的快速储热模组扇叶式肋片的内部结构示意图。

附图标记说明：

1-中心柱状蒸汽腔；2-骨架可旋转支撑；3-枝杆蒸汽腔；

4-轴向扇叶式肋片；5-径向扇叶式肋片；6-环状蒸汽腔；

7-叶片腔肋；8-多孔毛细结构；9-气态介质；10-气液相变介质；

11-相变容器；

具体实施方式

图1-图4是本发明提供的扰动混合的快速储热模组各部分结构示意图。

下面结合附图对本发明进行具体描述。一种扰动混合的快速储热模组，其整体结构由中心柱状蒸汽腔1、骨架可旋转支撑2、枝杆蒸汽腔3、轴向扇叶式肋片4、径向扇叶式肋片5和相变容器11组成。柱状蒸汽腔1和枝杆蒸汽腔3外壁由高导热系数的材料(如铜、铝)制成，中心柱状蒸汽腔1通过骨架可旋转支撑2与相变容器11的连接存在一个可旋转的自由度，可在外部冲击或扰动作用下，因对称分布的枝杆蒸汽腔3偏离水平的平衡位置，而绕自身中心轴产生旋转；枝杆蒸汽腔3与中心柱状蒸汽腔1内部填充气液相变介质10且相互连通，可实现热量的均匀、快速传导，枝杆蒸汽腔3沿中心柱状蒸汽腔1的径向对称分布；轴向扇叶式肋片4具有偏心扇叶结构，可沿中心轴方向布置多组，轴向扇叶式肋片4与上述中心柱状蒸汽腔1外表面间隙配合，为可转动连接，扇叶式肋片类似于风扇的形状，与中心柱状蒸汽腔的任意横截面不重合，在外部冲击或扰动作用下因重心偏移促进相变容器11内相变材料沿轴向的混合；其径向扇叶式肋片5与枝杆蒸汽腔3外表面间隙配合，为可转动连接，其形状与轴向扇叶式肋片4相似，与所连接的枝杆蒸汽腔3的任意横截面不重合，在外部冲击或扰动作用下因重心偏移可促进相变容器11内相变材料沿径向的混合；轴向扇叶式肋片4与径向扇叶式肋片5，均由一个环状蒸汽腔6和多个尺寸不同的叶片腔肋7构成，多个尺寸不同的叶片腔肋7围绕环状蒸汽腔6的中心轴偏心布置且与环状蒸汽腔6的内部相互连通，内部填充气液相变介质10，且内部通道表面布置有多孔毛细结构8，为液体回流提供动力；中心柱状蒸汽腔1内部的气液相变介质10吸收热源的热量后汽化，气态介质9在中心柱状蒸汽腔1和枝杆蒸汽腔3的内部通道中均匀扩散，将热源的热量均匀扩散至中心柱状蒸汽腔1和枝杆蒸汽腔3的表面；轴向扇叶式肋片4沿中心轴方向布置多组，与中心柱状蒸汽腔1的连接处涂抹有润滑作用的导热油脂，环状蒸汽腔6内部的气液相变介质10吸收了中心柱状蒸汽腔1表面的热量后汽化，将热量均匀扩散至整个轴向扇叶式肋片4的表面；叶片腔肋7和环状蒸汽腔6的内部相互连通，且中间镂空构成环状通道，构成内部气液相变介质10蒸发与冷凝的单向回路，可将热量向容器空间均匀化扩散；径向扇叶式肋片5在容器中沿对称径向分布，与枝杆蒸汽腔3的连接处涂抹有润滑作用的导热油脂，其热量扩散机制和轴向扇叶式肋片4类似；容器内相变材料自轴向扇叶式肋片4和径向扇叶式肋片5吸收大量的热，实现热量的存储；轴向扇叶式肋片4和径向扇叶式肋片5均是由多个尺寸大小不同的叶片腔肋组成的偏心扇叶结构，分别与中心柱状蒸汽腔和枝杆蒸汽腔的外表面间隙配合，且与各自连接组件的任意横截面不重合，可在外部的冲击或扰动作用下摆动或者是转动，分别促进相变容器内工质沿轴向和径向的混合，增强容器内部的对流换热。

优选的，轴向扇叶式肋片4与径向扇叶式肋片5的扇叶式肋片是独立的结构，只有中心的环状蒸汽腔6和每个叶片腔肋7相互连通，与中心柱状蒸汽腔1或枝杆蒸汽腔3的内部不连通。

优选的，轴向扇叶式肋片4和径向扇叶式肋片5均具有类似于风扇的形状，是由多个尺寸大小不同的叶片腔肋组成的偏心扇叶结构，且与各自连接组件的任意横截面不重合，通过改变叶片腔肋7的大小可改变扇叶式肋片的重心和环状蒸汽腔中心的距离，从而对摆动幅度的大小进行调整。

优选的，叶片腔肋7具有类似于风扇单个叶片的形状，且中间镂空构成环状通道，构成内部气液相变介质10蒸发与冷凝的单向回路，同时中间的镂空部分也可增强外部相变工质的混合。

优选的，可在中心柱状蒸汽腔1、枝杆蒸汽腔3、轴向扇叶式肋片4和径向扇叶式肋片5的内壁布置复合毛细芯结构，增大毛细芯结构的渗透率和等效导热系数，进一步增强传热效果。

优选的，中心柱状蒸汽腔1、枝杆蒸汽腔3、轴向扇叶式肋片4和径向扇叶式肋片5中的液态介质10可以使用水、制冷剂、介电液等介质，获得较强的传热效果。

优选的，轴向扇叶式肋片4和径向扇叶式肋片5与各自连接组件的接触处涂抹具有润滑作用的导热油脂，便于在外部的冲击或扰动作用下摆动或者是转动。导热油脂的作用有两个，一是起到润滑作用，因为扇叶肋片是一个独立的结构，在转动时需要减少接触位置的摩擦；二是在接触的位置起到导热的作用。

优选的，为减少成本，中心柱状蒸汽腔1、枝杆蒸汽腔3、轴向扇叶式肋片4和径向扇叶式肋片5可以是普通实心金属材质。

本发明未对扰动混合的快速储热模组中所述轴向扇叶式肋片和径向扇叶式肋片的具体叶片形状、个数以及排布方式进行详细描述。本发明的实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (4)

1.一种扰动混合的快速储热模组，其特征在于：包括至少一个中心柱状蒸汽腔、枝杆蒸汽腔、轴向扇叶式肋片、径向扇叶式肋片和相变容器；所述中心柱状蒸汽腔布置在相变容器内部，通过骨架可旋转支撑与相变容器连接；所述枝杆蒸汽腔与中心柱状蒸汽腔内部填充气液相变介质且相互连通，枝杆蒸汽腔沿中心柱状蒸汽腔的径向对称分布；所述轴向扇叶式肋片可沿中心轴方向布置多组，轴向扇叶式肋片具有偏心扇叶结构，且与上述中心柱状蒸汽腔的外表面间隙配合，为可转动连接，轴向扇叶式肋片呈风扇的形状，每个叶片均呈一定角度扭转，与中心柱状蒸汽腔的任意横截面不重合；所述径向扇叶式肋片与枝杆蒸汽腔的外表面间隙配合，为可转动连接，其形状与轴向扇叶式肋片相似，每个叶片均呈一定角度扭转，与所连接枝杆蒸汽腔的任意横截面不重合，在外部冲击或扰动作用下因重心偏移促进相变容器内工质沿径向的混合；所述相变容器内布置有上述中心柱状蒸汽腔、多组轴向扇叶式肋片以及多组径向扇叶式肋片，其它部分为具有吸热和放热功能的相变工质填充；

所述轴向扇叶式肋片与径向扇叶式肋片，由一个环状蒸汽腔和多个尺寸不同的叶片腔肋构成，多个尺寸不同的叶片腔肋围绕环状蒸汽腔的中心轴偏心布置且和环状蒸汽腔的内部相互连通，内部填充气液相变介质，且内部通道表面布置有多孔毛细结构；所述叶片腔肋，具有呈风扇单个叶片的形状，且中间镂空构成环状通道，构成内部气液相变介质蒸发与冷凝的单向回路。

2.如权利要求1所述的一种扰动混合的快速储热模组，其特征在于：所述中心柱状蒸汽腔与相变容器的连接存在一个可旋转的自由度，在外部冲击或扰动作用下，因对称分布的枝杆蒸汽腔偏离水平的平衡位置，而绕自身中心轴产生旋转。

3.如权利要求1所述的一种扰动混合的快速储热模组，其特征在于：所述枝杆蒸汽腔与中心柱状蒸汽腔内部连通，且沿径向对称分布，内部填充气液相变介质，且内部通道表面布置有多孔毛细结构。

4.如权利要求1所述的一种扰动混合的快速储热模组，其特征在于：所述轴向扇叶式肋片与径向扇叶式肋片，均是由多个尺寸大小不同的叶片腔肋组成的偏心扇叶结构，分别与中心柱状蒸汽腔和枝杆蒸汽腔的外表面间隙配合在外部的冲击或扰动作用下摆动或者是转动。