CN113776207A - 一种具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置，包括换热管组、相变蓄热材料及蓄热装置外壳；换热管组包括进口总管、出口总管与圆锥螺旋盘管；圆锥螺旋盘管是一种管中心线在圆锥面上自外向内逐圈旋转的盘管结构；多组圆锥螺旋盘管等间距且同轴地布置在一起；每组螺旋盘管的进口在螺旋外侧，出口在螺旋内侧；这些螺旋盘管的进口与出口分别连接在上而形成了换热管组；该换热管组浸没在相变蓄热材料中，并由蓄热装置外壳包裹，形成了具有圆锥螺旋盘管结构的相变蓄热装置。该装置利用流体旋转过程促进了蓄热过程的进行，具有结构紧凑、蓄热效率高的优点。

Description

一种具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置
技术领域
本发明属于相变蓄热领域，特别是一种具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置。
背景技术
太阳能发电技术是一种清洁无污染的能源技术，但由于太阳能的收集过程中存在日间周期性波动，影响发电过程的平稳运行，不适宜直接使用太阳能发电。为解决这一问题，常使用相变蓄热装置以热能形式存储收集的太阳能并稳定供给发电装置。
管壳式相变蓄热装置是一类经典的相变蓄热装置，具有成熟的加工制造经验。传统的相变蓄热装置，如专利号201010119607.3的相变蓄热装置，使用在平面上铺展开来的换热管束进行蓄热。随着蓄热过程的进行，在相变蓄热装置内流动的流体温度逐渐降低，相变蓄热装置中换热管束的蓄热效果逐渐降低，换热管束末端有大量相变蓄热材料无法参与到蓄热过程中。
为解决这一问题，专利号201621087825.2提出了一种螺距渐变式螺旋盘管蓄热器，减少了换热管束末端的相变蓄热层厚度，促进了相变蓄热材料的熔化，但相应地增大了换热管束的长度，消耗了较多的金属材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置，以实现在满足相变蓄热要求的前提下，减少导热金属材料及相变蓄热材料消耗的目的。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置，包括相变蓄热装置外壳和设置在相变蓄热装置外壳内的换热管组，相变蓄热材料；
所述换热管组包括一组进口总管、一组出口总管及多组圆锥螺旋盘管；所述圆锥螺旋盘管为管中心线在圆锥面上自外向内逐圈旋转的盘管结构，圆锥螺旋盘管间保持等间距同轴布置；圆锥螺旋盘管的弯曲半径逐渐减小，以提高流体的湍流度。
一种具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置的关键参数确定方法，包括以下步骤：
步骤1、计算相变蓄热装置内流体传热系数hliq、换热管壁传热系数hpip及相变蓄热材料传热系数hPCM；
步骤2、计算不同弯曲半径盘管的传热系数h(r)：
Figure BDA0003111852160000021
其中r为盘管弯曲半径；n为盘管修正系数；
步骤3、基于蓄热功率需要及圆锥螺旋形状需要，建立了下述方程以确定不同弯曲半径盘管的长度l(r)并建立相应的圆锥螺旋盘管结构；
Figure BDA0003111852160000022
其中q为蓄热功率，dT为输入流体与相变蓄热材料间的温差，d2为换热管外径。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)通过圆锥螺旋盘管结构，使得本发明在满足相变蓄热要求的前提下消耗的金属导热材料与相变蓄热材料较少，结构较为紧凑。
(2)通过圆锥螺旋盘管结构，有效提升了螺旋盘管中心低弯曲半径部分的长度。而螺旋盘管中心低弯曲半径部分的传热系数较高，延长该部分有效提升了相变蓄热装置的蓄热效率。
附图说明
图1为相变蓄热装置装配图。
图2(a-c)分别为圆锥螺旋盘管结构正等轴侧图、侧视图、俯视图。
图3为换热管组结构图。
图4为20℃传热温差下的盘管修正系数图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1、图2(a-c)、图3，本发明的一种具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置，包括换热管组1，相变蓄热材料2及相变蓄热装置外壳3。
所述换热管组1包括进口总管4，出口总管5及多组的圆锥螺旋盘管(本实施例中采用两种圆锥螺旋盘管6及7)。所述圆锥螺旋盘管6及7是一种管中心线在圆锥面上自外向内逐圈旋转的盘管结构(如附图2)，其弯曲半径逐渐减小至与管道外径一致。所述进口总管4与出口总管5表面有开孔，圆锥螺旋盘管6和7***进口总管4与出口总管5表面开孔中并连接紧密。所述进口总管4及出口总管5与圆锥螺旋盘管6及7连接形成换热组1(如附图3)。每组螺旋盘管的进口在螺旋外侧，出口在螺旋内侧。该换热管组浸没在相变蓄热材料中，并由蓄热装置外壳包裹，形成了具有圆锥螺旋盘管结构的相变蓄热装置。所述相变蓄热装置外壳3为圆柱形筒体，筒体顶部有换热管组开孔8。所述圆锥螺旋盘管6和7的结构上存在嵌套关系，圆锥螺旋盘管7的圆锥顶部与圆锥螺旋盘管6的圆锥底部重合。
进一步的，换热管组1通过水压测试验证密封性良好后，将换热管组1置于相变蓄热装置外壳3内并固定，向相变蓄热装置外壳3内灌装已熔化为液态的相变蓄热材料至没过圆锥螺旋盘管6及7。封闭相变蓄热装置外壳3形成具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置。
所述换热管组1为铝，铜或不锈钢制成。所述相变蓄热装置外壳底部有换热管束定位及支撑结构，顶部有换热管束开孔，相变蓄热装置外壳为铝，铜或不锈钢制成。所述相变蓄热材料2为石蜡、脂肪酸或熔盐，或根据相变温度要求选择相应材料。
该装置的相变蓄热功能主要由换热管组1与相变蓄热材料共同实现。热流体自换热管组1进口输入该装置内，与该装置内温度较低的相变蓄热材料发生热传递，从而将热量以相变蓄热材料潜热形式储存起来。
在传统管壳式相变蓄热装置中，随着流体自输入端向输出端流动，流体与相变蓄热材料间的温差逐渐降低，使得相变蓄热装置的蓄热效果自输入端至输出端逐渐减弱。而在具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置中，自输入端至输出端，管道的弯曲半径逐渐减小，流体的湍流度逐渐提高，促进了流体与相变蓄热材料间的换热过程。由于同时受到传热温差降低及流体湍流度提高的影响，相变蓄热装置的蓄热效果自输入端至输出端变化不大，有利于提高相变蓄热装置的紧凑性。
一种具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置的关键参数确定方法，包括以下步骤：
步骤1、计算相变蓄热装置内各部分的传热系数hliq，hpip及hPCM：
Figure BDA0003111852160000041
Figure BDA0003111852160000042
Figure BDA0003111852160000043
其中hliq、hpip、hPCM分别为流体传热系数、换热管壁传热系数及相变蓄热材料传热系数；d1、d2、e分别为换热管内径、外径及相变蓄热材料层厚度；μliq、cliq、vliq、ρliq分别为流体动力粘度、等压比热容、线流速及密度；λliq、λpip、λPCM分别为流体、换热管及相变蓄热材料的导热系数。
步骤2、计算不同弯曲半径盘管的传热系数h(r)：
Figure BDA0003111852160000044
其中r为盘管弯曲半径；n为盘管修正系数，由盘管弯曲半径r与盘管外径d2之比确定，可通过数值模拟或实验计算得到。
步骤3、由下述方程确定不同弯曲半径盘管的长度l(r)并建立相应的圆锥螺旋盘管结构；
Figure BDA0003111852160000045
其中q为蓄热功率，dT为输入流体与相变蓄热材料间的温差。该方程的两个式子分别对应满足蓄热功率需要及满足圆锥螺旋形状需要。
步骤4、调整换热管外径，重新计算l(r)并建立圆锥螺旋结构。对比不同换热管外径的圆锥螺旋结构，选择装置质量最低的作为最终设计结果。
实施例
本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
步骤1、分别计算各部分的传热系数：
选取了外径为6mm、内径为5mm的紫铜管作为换热管，传热系数为728kW/(m2·K)；去离子水为流体工质，输入温度为80℃，输入流速为0.8m/s，传热系数为73.9W/(m2·K)；58号精炼石蜡为相变蓄热材料，厚度为5mm，传热系数为52.4W/(m2·K)。
步骤2、通过数值模拟得到了如下图4的盘管修正系数n。
步骤3、计算得到圆锥螺旋盘管最大弯曲半径为50mm，最小弯曲半径为20mm，螺旋级间距为10mm，整个圆锥螺旋共包含4周旋转，圆锥螺旋盘管间的距离为40mm。
步骤4、为满足圆锥螺旋盘管的需要，设计相变蓄热装置外壳半径为60mm，高160mm，壁厚1mm，铝制；设计进口总管与出口总管为直径8mm的紫铜换热管，管底部焊接封闭；设计相变蓄热材料最小填充高度为130mm，以保证相变蓄热材料完全浸没圆锥螺旋盘管；最大填充高度为150mm，以防止熔化过程中相变蓄热材料溢出。
该相变蓄热装置总重约2.2kg，体积约1.8L，在连续蓄热1800s后，装置内充当相变蓄热材料的58号精炼石蜡已熔化了60％以上，蓄热量可达150kJ。

Claims (7)

1.一种具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置，包括相变蓄热装置外壳和设置在相变蓄热装置外壳内的换热管组，相变蓄热材料；其特征在于，
所述换热管组包括一组进口总管、一组出口总管及多组圆锥螺旋盘管；所述圆锥螺旋盘管为管中心线在圆锥面上自外向内逐圈旋转的盘管结构，圆锥螺旋盘管间保持等间距同轴布置；圆锥螺旋盘管的弯曲半径逐渐减小，以提高流体的湍流度。
2.根据权利要求1所述的具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置，其特征在于，换热管组及相变蓄热装置外壳为铝、铜或不锈钢。
3.根据权利要求1所述的具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置，其特征在于，所述相变蓄热材料为石蜡、脂肪酸或熔盐。
4.根据权利要求1所述的具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置，其特征在于，所述多组圆锥螺旋盘管结构上为嵌套关系。
5.根据权利要求1所述的具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置，其特征在于，圆锥螺旋盘管不同弯曲半径盘管的长度l(r)满足以下公式：
Figure RE-FDA0003352321550000011
其中传热系数
Figure RE-FDA0003352321550000012
hliq、hpip、hPCM分别为流体传热系数、换热管壁传热系数及相变蓄热材料传热系数；r为盘管弯曲半径；n为盘管修正系数；q为蓄热功率，dT为输入流体与相变蓄热材料间的温差。
6.一种具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置的关键参数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、计算相变蓄热装置内流体传热系数hliq、换热管壁传热系数hpip及相变蓄热材料传热系数hPCM；
步骤2、计算不同弯曲半径盘管的传热系数h(r)：
Figure RE-FDA0003352321550000013
其中r为盘管弯曲半径；n为盘管修正系数；
步骤3、基于蓄热功率需要及圆锥螺旋形状需要，建立了下述方程以确定不同弯曲半径盘管的长度l(r)并建立相应的圆锥螺旋盘管结构；
Figure RE-FDA0003352321550000021
其中q为蓄热功率，dT为输入流体与相变蓄热材料间的温差，d2为换热管外径。
7.根据权利要求5所述的关键参数确定方法，其特征在于，步骤1流体传热系数hliq、换热管壁传热系数hpip及相变蓄热材料传热系数hPCM分别为：
Figure RE-FDA0003352321550000022
Figure RE-FDA0003352321550000023
Figure RE-FDA0003352321550000024
其中d1、e分别为换热管内径及相变蓄热材料层厚度；μliq、cliq、vliq、ρliq分别为流体动力粘度、等压比热容、线流速及密度；λliq、λpip、λPCM分别为流体、换热管及相变蓄热材料的导热系数。
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