CN208779999U - 三维交叉式热交换的液-气介质蓄换热结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了三维交叉式热交换的液—气介质蓄换热结构，本体内部是换热腔，介质输入管穿过本体进入换热腔，传热或传冷介质设置在介质输入管中；在本体上间隔设置有气体进入口和气体排出口，与换热腔连通；换热腔内，设置有若干个封装容器，在封装容器内设置有能量蓄积材料，介质输入管中的传热或传冷介质与能量蓄积材料进行能量交换；在换热腔内，设置有若干隔断导流板将换热腔的内部空间分隔为若干层，每块隔断导流板与换热腔的内壁之间留有间隙，或者在每块隔断导流板上设置过流孔，形成空气流动空隙。本实用新型的蓄换热结构，将蓄热体、介质输入管、传热或传冷介质通道之间形成往复交叉式热交换的回形通道，能够显著提高蓄热换热效率。

Description

三维交叉式热交换的液-气介质蓄换热结构

技术领域

本实用新型涉及一种换热装置，尤其是立体结构的三维交叉式热交换的液—气介质蓄换热结构。

背景技术

世界经济的快速发展需要更多的能源，而化石能源的短缺促使世界各国将开发可 再生能源作为战略性新兴产业置于优先发展的地位。储能作为能源利用的重要环节，对工业节能和可再生能源利用具有特别重要的作用。规模化可再生能源热利用是未来我国能源的发展重点，但由于可再生能源县有间歇性和不能稳定供应的缺陷，不能满足工业化大规模连续供能的要求，而工业用能是我国最大的终端用能消费部门，占全国能源消费总量的比重一直维持在70%左右。一次能源利用率大大低于先进国家，主要原因之一是间歇式高品质余热没有得到有效利用，因此必须发展高效蓄热技术，以提高能源利用效率。

蓄热材料就是一种能够储存热能的新型化学材料。它在特定的温度( 如相变温度) 下发生物相变化，并伴随着吸收或放出热量，可用来控制周围环境的温度，或用以储存热能。它把热量或冷量储存起来，在需要时再把它释放出来，从而提高了能源的利用率。

蓄热材料的工作过程包括两个阶段：一是热量的储存阶段，即把高峰期多余的动力、 工业余热废热或太阳能等通过蓄热材料储存起来；二是热量的释放阶段，即在使用时通过蓄热材料释放出热量，用于采暖、供热等。热量储存和释放阶段循环进行，就可以利用蓄热材料解决热能在时间和空间上的不协调性，达到能源高效利用和节能的目的。

按蓄热方式来分，蓄热材料可以分为四类：显热蓄热材料 、相变蓄热材料、热化学蓄热材料和吸附蓄热材料。

1、显热蓄热材料

显热蓄热材料是利用物质本身温度的变化过程来进行热量的储存，由于可采用直接接触式换热，或者流体本身就是蓄热介质，因而蓄、放热过程相对比较简单，是早期应用较多的蓄热材料。在所有的蓄热材料中显热蓄热技术最为简单也比较成熟。

显热蓄热材料大部分可从自然界直接获得，价廉易得。显热蓄热材料分为液体和固体两种类型，液体材料常见的如水，固体材料如岩石 、鹅卵石 、土壤等,其中有几种显热蓄热材料引人注目 ,如Li2O与Al2O3、TiO2等高温烧结成型的混合材料。

由于显热蓄热材料是依靠蓄热材料的温度变化来进行热量贮存的 ，放热过程不能恒温 ，蓄热密度小 ，造成蓄热设备的体积庞大，蓄热效率不高，而且与周围环境存在温差会造成热量损失，热量不能长期储存，不适合长时间、大容量蓄热，限制了显热蓄热材料的进一步发展。

2、相变蓄热材料

相变蓄热材料是利用物质在相变（如凝固/熔化、凝结/汽化、固化/升华等）过程发生的相变热来进行热量的储存和利用。

与显热蓄热材料相比 ，相变蓄热材料蓄热密度高,能够通过相变在恒温下放出大量热量。虽然气一液和气一固转变的相变潜热值要比液一固转变 、固一固转变时的潜热大，但因其在相变过程中存在容积的巨大变化，使其在工程实际应用中会存在很大困难 。根据相变温度高，潜热蓄热可分为低温和高温两种，低温潜热蓄热主要用于废热回收 、太阳能储存以及供热和空调***。高温相变蓄热材料主要有高温熔化盐类 、混合盐类 、金属及合金等 ,主要用于航空航天等。常见的潜热蓄热材料有六水氯化钙、三水醋酸钠 、有机醇等 。

潜热蓄热方式具有蓄热密度较高(一般都可以达到200kJ/kg以上)，蓄、放热过程近似等温，过程容易控制等优点，因此相变蓄热材料是当今蓄热材料研究和应用的主流。

3、热化学蓄热材料

热化学蓄热材料多利用金属氢化物和氨化物的可逆化学反应进行蓄热，在有催化剂、温度高和远离平衡态时热反应速度快。国外已利用此反应进行太阳能贮热发电的实验研究，但需重点考虑储存容器和***的严密性，以及生成气体对材料的腐蚀等问题 。

热化学蓄热材料具有蓄热密度高和清洁、无污染等优点 ，但反应过程复杂 、技术难度高 ，而且对设备安全性要求高，一次性投资大，与实际工程应用尚有较大距离。

4、吸附蓄热材料

吸附是指流体相(含有一种或多种组分的气体或液体)与具有多孔的固体颗粒相接触时 ，固体颗粒(即吸附剂)对吸附质的吸着或持留过程。因吸附剂固体表面的非均一性，伴随着吸附过程产生能量的转化效应 ，称为吸附热。在吸附 脱附循环中，可通过热量储存、释放过程来改变热量的品位和使用时间,实现制冷、供热以及蓄热等目的。

吸附蓄热是一种新型蓄热技术，研究起步较晚 ，是利用吸附工质来对吸附/解吸循环过程中伴随发生的热效应进行热量的储存和转化。吸附蓄热材料的蓄热密度可高达800 ～1000kJ/kg，具有蓄热密度高、蓄热过程无热量损失等优点。由于吸附蓄热材料无毒无污染，是除相变蓄热材料以外的另一研究热点，但由于吸附蓄热材料通常为多孔材料，传热传质性能较差，而且吸附蓄热较为复杂，是重点研究解决的问题。

无论采取何种蓄热材料，如何高效的将需要储存的热量传导到蓄热材料内进行储存，以及将蓄热材料中热量再传导释放到需要热量的环境中是蓄热技术应用的关键；故现有技术的换热装置，其蓄热换热效率不高，需要不断提高蓄热换热效率、优化结构才能满足实际需要。

发明内容

本实用新型针对现有技术的上述不足，提供一种三维交叉式热交换的液—气介质蓄换热结构及一体化建筑屋结构。

本实用新型的技术方案：三维交叉式热交换的液—气介质蓄换热结构，包括三维立体结构的本体，其特征在于：本体内部中空的腔体是换热腔，介质输入管穿过本体进入换热腔，传热或传冷介质设置在介质输入管中，是液态或气态介质；在本体上，间隔一定距离设置有气体进入口和气体排出口，与换热腔连通；

换热腔内，设置有若干个封装容器，在封装容器内设置有能量蓄积材料；封装容器中设置有介质输入管，介质输入管中的传热或传冷介质与能量蓄积材料进行能量交换；

在换热腔内，设置有若干隔断导流板，隔断导流板将换热腔的内部空间分隔为若干层，每块隔断导流板与换热腔的内壁之间留有间隙，或者在每块隔断导流板上设置过流孔，形成空气流动空隙，从气体进入口进入的外部气体，都在换热腔内的相邻两块隔断导流板形成的这一层空腔之间流动，通过空气流动空隙进入下一层空腔。

进一步的特征在于：介质输入管在封装容器内设置为U性结构，U性结构的两段管道下端都包围在封装容器内，从封装容器的上端或下端穿出的介质输入管再进入下一个封装容器，在下一个封装容器内也是U性结构。

介质输入管是直管，从封装容器的一端进入，从另一端伸出，伸出后再进入下一个封装容器内。

所述封装容器是管状或长方体块状，是树脂或树脂基复合材料、金属、玻璃或陶瓷材质。

所述介质输入管是树脂或树脂基复合材料或金属材质，介质输入管内的传热或传冷介质是气体或液体。

所述隔断导流板是树脂或树脂基复合材料或金属材料。

在本体周围设置保温材料，形成保温层包围在本体周围。

本实用新型三维交叉式热交换的液—气介质蓄换热结构，相对于现有技术，具有如下特征：

1、能够显著提高蓄热换热效率；本实用新型通过在换热腔的空间三维方向进行科学设计，将蓄热体、热量输入换热介质通道、热量输出换热介质通道之间形成往复交叉式热交换的回形通道，在相对封闭的换热腔内蓄热、换热，充分利用热能。

2、在换热腔的空间内形成三维立体蓄热、换热结构，整个装置的结构紧凑、使用方便。

3、蓄换热结构是通过蓄热材料（可以是利用液-气等相变潜热，也可以是显热蓄热）将外部热/冷量储存起来，而后在需要的时候通过一定方式与外部环境进行热/冷量交换，将热/冷量释放出去，利用蓄热材料解决热能在时间和空间上的不协调性，达到能源高效利用和节能的目的。

附图说明

图1是本实用新型三维交叉式热交换的液—气介质蓄换热结构示意图；

图2是图1的剖视结构图。

具体实施方式

本实用新型三维交叉式热交换的液—气介质蓄换热结构，如图1、2所示，包括本体1，所述本体1是三维立体结构，相对封闭的框架结构，本体1内部是中空的腔体，形成换热腔2，介质输入管3穿过本体1进入换热腔2，外界的传热或传冷介质设置在介质输入管3中，并在介质输入管3中运行，从介质输入管3中进入，在换热腔2内进行热量交换后通过介质输出管4输出，介质输入管3与介质输出管4是连通的，外界的传热或传冷介质一直在管道内运行，是液态或气态介质；在本体1上，间隔一定距离设置有气体进入口5和气体排出口6，与换热腔2连通，通过气体进入口5将外部气体输送入换热腔2内，再通过气体排出口6排出。根据需要，在气体进入口5和\或气体排出口6的风口部位对应设置风机，加快气体的流速。

在换热腔2内，设置有若干个封装容器8，在封装容器8内设置有能量蓄积材料9，所述能量蓄积材料9可以是现有的蓄热或蓄冷材料，如常用的相变蓄热或蓄冷材料，介质输入管3***封装容器8内，最好是每个封装容器8中都设置有介质输入管3，介质输入管3中的传热或传冷介质与能量蓄积材料9进行能量（热量或冷量）交换，升高或降低能量蓄积材料9的温度。

在换热腔2内，设置有若干隔断导流板10，隔断导流板10将换热腔2的内部空间分隔为若干层空腔，每块隔断导流板10与换热腔2的内壁之间留有间隙，或者在每块隔断导流板10上设置过流孔，形成空气流动空隙11，从气体进入口5进入的外部气体，先在相连通的换热腔2内的相邻两块隔断导流板10形成的这一层空腔之间流动，通过空气流动空隙11进入下一层空腔，形成迷宫式流动路径，增大气体与封装容器8之间的能量（热量或冷量）交换，升高或降低气体的温度，使从气体排出口6排出的气体温度达到工艺要求的高温或低温。

介质输入管3与封装容器8的连接结构，可以有多种，一种如图所示，介质输入管3在封装容器8内设置为U性结构，U性结构的两段管道下端都包围在封装容器8内，从封装容器8中穿出（从上端或下端穿出）的介质输入管3再进入下一个封装容器8，在下一个封装容器8内也是U性结构。另一种的介质输入管3是直管，从封装容器8的一端进入，从另一端伸出，伸出后折弯再进入下一个封装容器8内。

根据需要，在本体1周围设置保温材料，形成保温层包围在本体1周围，起到良好的保温（防止热量或冷量散失）的作用。

本实用新型的封装容器8可以是管状或长方体块状，可以是树脂或树脂基复合材料、金属、玻璃或陶瓷等材质；能量蓄积材料9可以是利用液-气等相变潜热蓄热材料，也可以是显热蓄热材料等，将外部热/冷量储存起来，而后在需要的时候通过一定方式与外部环境进行热/冷量交换，将热/冷量释放出去。介质输入管3可以是树脂或树脂基复合材料或金属材质，介质输入管3内的传热或传冷介质可以是气体、液体等。介质输入管3在封装容器8内部可以是单列或多列布置，介质输入管3排列形状可以是直线形、弯曲形或螺旋形等。

如图所示，封装容器8在换热腔2内，最优呈矩阵排列，排列方式为：X和Z方向封装容器8应交错排列形成空气流通往复通道，在单一方向上容器之间间距可以是0至一定距离，但是不能X和Z方向同时间距为0。在X-Z平面，通过封装容器8的排列形成多层交错的空气流动通道。

隔断导流板10可以是树脂或树脂基复合材料或金属材料等，在换热腔2内部，沿Y方向交错设置，将换热腔2的内部空间分隔为若干层，在Y方向形成多层交错的空气流动通道。

本实用新型通过X-Z-Y三维方向分别设置的多层交错的空气流动通道以及封装容器8内部的外部热量介质输入管3，在保温层结构的包围下形成一种三维交叉式热交换的液-气介质蓄换热结构。

本实用新型的工作方式为：关闭气体进入口5和气体排出口6，通过外接介质输入管3预先将外部能源中的热量通过介绍输入，并通过热交换存储在能量蓄积材料9中；当外部需要热量时，打开气体进入口5和气体排出口6，可在风口部位对应设置风机，并通过调节风机功率对空气流动速率进行调节，进而对换热速率进行控制，将能量蓄积材料9存储热量释放到外部环境中。

本专利所说“蓄热、换热”均是指“热量”和“冷量”两种相对温度等级的热量，即从出风口吹出的是温度较高的热风或温度较低的冷风。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.三维交叉式热交换的液—气介质蓄换热结构，包括三维立体结构的本体（1），其特征在于：本体（1）内部中空的腔体是换热腔（2），介质输入管（3）穿过本体（1）进入换热腔（2），传热或传冷介质设置在介质输入管（3）中，是液态介质或是气态介质；在本体（1）上，间隔一定距离设置与气体进入口（5）和气体排出口（6），与换热腔（2）连通；

换热腔（2）内，设置有若干个封装容器（8），在封装容器（8）内设置有能量蓄积材料（9）；介质输入管（3）通入封装容器（8）中，介质输入管（3）中的传热或传冷介质与能量蓄积材料（9）进行能量交换；

在换热腔（2）内，设置有若干隔断导流板（10），隔断导流板（10）将换热腔（2）的内部空间分隔为若干层空腔，每块隔断导流板（10）与换热腔（2）的内壁之间留有间隙，或者在每块隔断导流板（10）上设置过流孔，形成空气流动空隙（11），从气体进入口（5）进入的外部气体，先在换热腔（2）内的相邻两块隔断导流板（10）形成的这一层空腔之间流动，通过空气流动空隙（11）进入下一层空腔。

2.根据权利要求1所述三维交叉式热交换的液—气介质蓄换热结构，其特征在于：介质输入管（3）在封装容器（8）内设置为U性结构，U性结构的两段管道下端都包围在封装容器（8）内，从封装容器（8）中穿出的介质输入管（3）再进入下一个封装容器（8），在下一个封装容器（8）内也是U性结构。

3.根据权利要求1所述三维交叉式热交换的液—气介质蓄换热结构，其特征在于：介质输入管（3）是直管，从封装容器（8）的一端进入，从另一端伸出，伸出后再进入下一个封装容器（8）内。

4.根据权利要求1—3任一所述三维交叉式热交换的液—气介质蓄换热结构，其特征在于：所述封装容器（8）是管状或长方体块状，是树脂、金属、玻璃或陶瓷材质。

5.根据权利要求1—3任一所述三维交叉式热交换的液—气介质蓄换热结构，其特征在于：所述介质输入管（3）是树脂或树脂基复合材料或金属材质，介质输入管（3）内的传热或传冷介质是气体或液体。

6.根据权利要求1—3任一所述三维交叉式热交换的液—气介质蓄换热结构，其特征在于：所述隔断导流板（10）是树脂或树脂基复合材料或金属材料。

7.根据权利要求1—3任一所述三维交叉式热交换的液—气介质蓄换热结构，其特征在于：在本体（1）周围设置保温材料，形成保温层包围在本体（1）周围。

8.根据权利要求1—3任一所述三维交叉式热交换的液—气介质蓄换热结构，其特征在于：在气体进入口（5）和\或气体排出口（6）的风口部位对应设置风机。