一种三维脉动热管相变材料耦合储能系统

摘要

本发明公开了一种三维脉动热管相变材料耦合储能系统，结构包括若干储能子模块、脉动热管、翅片、储能箱体、相变材料，放热流道，充热流道，密封垫片。脉动热管的上中下三个部分分别布满翅片，翅片分别置于放热流道、储能箱体和充热流道中，相变材料填充在储能箱体中。本发明合理地将脉动热管的高导热性以及结构灵活成本低廉等优势和相变材料高潜热的优势结合在一起，结构简单紧凑，系统外形可以根据实际结构灵活改变，并可多个子模块进行连接组成大储能系统。本发明的若干个储能子模块经过适当组合与设计后，适用于多种工业余热回收利用，具有广阔的市场前景和环保价值。

说明书

技术领域

本发明属于工业余热利用与热能存储领域，具体涉及一种三维脉动热管相变材料耦合储能系统。

背景技术

随着全球经济和社会的发展，能源消耗和环境污染成为主要问题，节能减排日益迫切。我国工业耗能占全国总耗能的70％左右，能耗较大，其中工业余热利用率低，能量没有得到充分利用是重要原因，我国能源利用率仅约为33％，至少约有50％的耗能以各种形式的余热被排掉，因此，我国余热资源十分丰富，余热回收利用能够进一步提高能源利用效率，从而减少化石燃料使用量，降低污染物排放。

近些年来，工业余热回收利用已引起国家政府以及许多科研院所和企业的关注。目前，工业余热利用技术主要包括热交换技术、热功转换技术以及制冷制热技术。蓄热式热交换器属于热交换技术中的一种，主要原理是冷热流体交替流过蓄热元件进行热量交换。相变材料在热能存储与利用上潜力巨大，脉动热管既可以用其优势弥补相变材料导热系数低的问题，也能连通相变材料与冷热流体，作为良好的热传输媒介。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种三维脉动热管相变材料耦合储能系统，具有储热量大，储放热速度快，结构简单紧凑，组装方便，安全性高，便于维护，寿命使用长等优点。储能系统既能够作为固定式储能系统，也能作为移动式储能系统，储热过程和放热过程可以同步进行，也可以分开进行，可以解决储热和放热的时间以及空间不匹配的问题。

技术方案：一种三维脉动热管相变材料耦合储能系统，包括两个以上的储能子模块，所述储能子模块包括放热流道、储能箱体、充热流道、脉动热管；所述放热流道与储能箱体的一端连接，而储能箱体的另一端与充热流道相连接；所述脉动热管由上到下依次设置有上翅片、中翅片以及下翅片，且所述上翅片放置于放热流道中，中翅片放置于储 能箱体中，而下翅片放置于充热流道中；所述储能箱体与中翅片之间填充有相变材料；相邻的储能子模块之间上端通过放热流道相互连接，下端通过充热流道相互连接。

优选的，相互连接的放热流道之间设置有第一密封垫片；相互连接的充热流道之间设置有第二密封垫片。

优选的，所述第一密封垫片、第二密封垫片均采用聚四氟乙烯或聚乙烯耐腐蚀材料；所述脉动热管的工质为微纳胶囊相变材料乳液或者纳米流体；所述相变材料为膨胀石墨材料与普通有机相变材料复合的相变材料或微胶囊相变材料。

优选的，所述中翅片开设有一个以上的孔。

优选的，相邻的上翅片之间进行错列布置；且相邻的下翅片之间进行错列布置。

优选的，所述储能箱体为夹层结构，夹层中间抽真空，或者夹层中间填充保温材料，或者夹层中间填充相变材料。

优选的，所述脉动热管的端部设置有注液端口，且所述注液端口露出在放热流道的外面或充热流道的外面。

优选的，所述放热流道、充热流道均为渐缩型结构，且沿着工质流动方向，流道逐渐变窄。

优选的，所述脉动热管的启动温度低于所述相变材料的相变温度。

有益效果：本发明提供了一种三维脉动热管相变材料耦合储能系统，合理地将脉动热管的高导热性以及结构灵活、成本低廉等优势和相变材料高潜热的优势结合在一起，脉动热管作为连通余热源、储热介质以及用户的桥梁，起到高效传输热量的作用；储能子模块结构紧凑简单，单个储能子模块便于维修和更换；脉动热管管壁上的错列布置和开有若干小孔的翅片可以在较大程度上提高储热和放热效率，并且三维脉动热管的几何结构和安装方式可以根据实际应用情况调整；储能箱体经过特殊保温设计，能大大减少热损耗。

本发明中储能子模块本身具有优良的储热和放热能力，针对不同储热温度范围，更换相变材料种类，脉动热管工质种类，脉动热管管壁材质种类可以满足要求，由本储能子模块组成的大型储能系统只需要进行简单的结构设计即可满足不同储热规模的要求，具有广阔的市场前景和环保价值。

附图说明

图1为本发明的三维脉动热管/相变材料耦合储能系统的示意图；

图2是单个储能子模块的结构示意图；

图3a是单个储能子模块正视图，图3b是单个储能子模块侧视图，图3c是单个储能子模块俯视图；

图4a是图3a中单个储能子模块的A-A向剖视图，图4b是图3a中单个储能子模块的B-B向剖视图；

图5a是三维脉动热管的脉动热管等轴测图，图5b是三维脉动热管的脉动热管正视图,图5c是图5b中A部分的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的具体说明。

如附图所示，一种三维脉动热管相变材料耦合储能系统，包括两个以上的储能子模块1，储能子模块1包括放热流道2、储能箱体3、充热流道4、脉动热管5；放热流道2与储能箱体3的一端焊接连在一起，而储能箱体3的另一端与充热流道4相焊接连在一起，或通过其他密封连接方式连在一起；脉动热管5由上到下依次设置有上翅片51、中翅片52以及下翅片53，且上翅片51放置于放热流道2中，中翅片52放置于储能箱体3中，而下翅片53放置于充热流道4中；储能箱体3与中翅片52之间填充有相变材料6；相邻的储能子模块1之间上端通过放热流道2相互连接，下端通过充热流道4相互连接。

相互连接的放热流道2之间设置有第一密封垫片21；相互连接的充热流道4之间设置有第二密封垫片41；能有效防止放热流道2和充热流道4中的流体泄露。

翅片形状结构丰富多样，可以采用高导热不锈钢、铜、铝合金等材料。

第一密封垫片21、第二密封垫片41均采用聚四氟乙烯或聚乙烯耐腐蚀材料；脉动热管5的工质可以采用单种物质，比如水、乙醇、低熔点金属等，可以为多种物质组成的混合物，比如水/乙二醇溶液等，可以为微纳胶囊相变材料乳液或纳米流体等。脉动热管5为三维脉动热管，其管材可以为铜、不锈钢以及其他金属、合金等，其几何外形和安装方式可以根据实际情况进行改变，具有良好的可塑性和适应性。相变材料6可以 采用有机相变材料，比如石蜡、脂肪酸等，可以为无机相变材料，比如熔盐相变材料等，可以为膨胀石墨等导热系数高的材料与普通有机相变材料复合的相变材料或微胶囊相变材料等。

中翅片52开设有一个以上的小孔。既可以提高填充相变材料的量，提高储热能力，又不影响相变材料与脉动热管之间的换热效率。

相邻的上翅片51之间进行错列布置；且相邻的下翅片53之间进行错列布置。用来破坏流动边界层,如图5c中的放大图所示，进而提高换热性能。

储能箱体3为夹层结构，夹层中间抽真空，或者夹层中间填充保温材料，或者夹层中间填充相变材料。

脉动热管5上设置有注液端口511，且注液端口511露出在放热流道2的外面或充热流道4的外面。方便对脉动热管内部工质进行更换。

放热流道2、充热流道4均为渐缩型结构，且沿着工质流动方向，流道逐渐变窄。用来提高流道内部不同部位换热能力一致性。

脉动热管5的启动温度低于相变材料的相变温度。

放热流道2或充热流道4的布置位置可以互换，或者能够根据实际情况，同时作为放热流道和充热流道。

储能系统采用脉动热管作为传热媒介，不需要通过其他流动介质传热，节约泵耗。

储能系统既能够作为固定式储能系统，也能作为移动式储能系统。储能系统的储热过程和放热过程可以同步进行，也可以分开进行。解决储热和放热的时间以及空间不匹配问题。

本发明合理地将脉动热管的高导热性以及结构灵活、成本低廉等优势和相变材料高潜热的优势结合在一起，高温流体经过下流道，与脉动热管上布满翅片的蒸发段换热，热量由脉动热管输送到中部的储能箱体区域，脉动热管中部的翅片将热量迅速地向相变材料传递，相变材料通过潜热或显热将热量进行存储，储存的热量通过脉动热管输送到上部，通过上部翅片向换热介质快速放热。所设计出的储能子模块具有结构紧凑简单，结构简单紧凑，系统外形可以根据实际结构灵活改变，并可多个子模块进行连接组成大 储能系统。本发明的若干个储能子模块经过适当组合与设计后，适用于多种工业余热回收利用，具有广阔的市场前景和环保价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。