一种相变材料与发散热管耦合储能系统

摘要

本发明公开了一种相变材料与发散热管耦合储能系统，包括若干同中心轴线串联的储能单元，所述储能单元包括由内向外同心设置的充热流道、放热环道及储能环道；储能单元内设置有发散型脉动热管，且发散型脉动热管包括若干沿周向均布的脉动热管分支；所述脉动热管分支包括位于充热流道内的蒸发段、位于放热环道内的输送段及位于储能环道内的冷凝段，且相邻的脉动热管分支之间通过蒸发段的根部端口依次连通，使得发散型脉动热管整体构成一个闭合回路；所述储能环道内填充有与冷凝段紧密接触的相变材料。本发明结构简单紧凑，使用维护方便，成本较低，利用相变材料的高潜热性和脉动热管的高导热性，适用于不同形式的工业余热回收和利用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种相变材料与发散热管耦合储能系统，属于工业余热存储与利用领域。

背景技术

随着经济社会的进步，能源消耗巨大和环境污染严重成为两大难题，节能减排的要求日益迫切。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。

目前，工业余热回收利用问题已经得到政府、科研院所以及企业的关注。在现有的技术种类中，工业余热利用技术主要分为热功转换技术、热交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，脉动热管的热输送性能较强，能够作为连同热源、储热源和用户的良好的热传输媒介。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种相变材料与发散热管耦合储能系统，具有结构简单、组装方便、成本较低等特点，利用相变材料的高潜热性和脉动热管的高导热性，有效提高工业余热的回收利用率，且使用灵活多变。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种相变材料与发散热管耦合储能系统，包括若干同中心轴线串联的储能单元，且所述储能单元包括由内向外同心设置的充热流道、放热环道及储能环道；相邻的储能单元之间的充热流道、放热环道和储能环道均通过卡槽配合连接，且各自连通；

其中，所述储能单元内设置有发散型脉动热管，且发散型脉动热管包括若干沿储能单元周向均布的脉动热管分支；所述脉动热管分支包括位于充热流道内的蒸发段、位于放热环道内的输送段及位于储能环道内的冷凝段，且相邻的脉动热管分支之间通过蒸发段的根部端口依次连通，使得发散型脉动热管整体构成一个闭合回路；所述储能环道内填充有与冷凝段紧密接触的相变材料，且首尾两端的储能单元上设置有放热环道端盖及储能环道端盖。

因此，中心流道可以直接连接热源，放热环道可以直接连接冷源，脉动热管作为连通余热源、储热介质以及用户的纽带，起到高效输送热量的作用；储能单元的结构紧凑简单，单个储能单元便于维修和更换；所述储能单元同时含有充热流道和放热环道，既可以同时完成储能和释能的过程，也可以分开进行储能和释能的过程，系统外形可以根据实际结构灵活改变，多个储能单元进行连接组成大储能释能系统。

优选的，所述卡槽内设置有耐高温耐腐蚀的密封垫圈，有效阻止连接处的流体或相变材料的泄露，从而保证充热流道、放热环道和储能环道之间的密封性。

优选的，所述脉动热管分支的蒸发段、输送段及冷凝段可采用直线形、圆弧形或螺旋线形结构，发散型脉动热管分支上的三部分，几何形状结构丰富，可根据实际的热传输需要涉及脉动热管的形状结构，以保证换热效率。

优选的，所述脉动热管分支上布置有翅片，根据实际情况来决定脉动热管上的不同部位是否布置翅片，以提高换热效率。

优选的，所述发散型脉动热管内的工质可采用自湿润流体、微纳胶囊相变材料乳液或纳米流体，比如水/庚醇溶液、金属纳米水溶液等。

优选的，所述相变材料为中高温相变材料或中低温相变材料，具体可为复合相变材料、胶囊相变材料或金属基相变材料等，比如熔盐、水合盐或Zn-Mg合金相变材料等。

优选的，所述发散型脉动热管的启动温度低于所述相变材料的相变温度。相变材料的相变温度指发生相变过程时的温度，包括潜热吸收和潜热释放过程，脉动热管的启动温度指脉动热管内部气液塞持续振荡所需维持的最低温度，此时脉动热管具有极高的热输送能力。只有当脉动热管的启动温度低于相变材料的相变温度，在相变材料放热的过程中，脉动热管内部的工质才能够维持振荡状态。

优选的，所述储能环道的外壁为夹层结构，夹层中间可进行抽真空、填充保温材料或者填充相变材料，通过特殊的保温设计，大大减少储能环道的热损耗。

优选的，所述储能单元之间可根据实际条件进行旋转调整，用来调节不同储能单元之间发散型脉动热管的相对位置，以调节流道内的流动阻力，从而调节流体与脉动热管间的换热效率，进而提高该系统的储放热效率。

有益效果：本发明提供的一种相变材料与发散热管耦合储能系统，相对于现有技术，具有以下优点：1、结构简单紧凑，组装方便，成本较低，便于维修和更换，利用相变材料的高潜热性和脉动热管的高导热性，大大提高了工业余热的回收利用率；2、既能够作为固定式，也能作为移动式，储能和释能过程可以同步进行，也可以分开进行，从而解决了储能和释能过程在时间和空间上不相匹配的问题。

附图说明

图1为本发明一种相变材料与发散热管耦合储能系统的结构示意图；

图2为本发明中单个储能单元的结构示意图；

图3为本发明中单个储能单元的等轴测视图；

图4是实施例一中发散型脉动热管的示意图；

图5是实施例二中发散型脉动热管的示意图；

图6是实施例三中发散型脉动热管的示意图；

图7是实施例四中发散型脉动热管的示意图；

图8是实施例五中发散型脉动热管的示意图；

图中包括：1、储能单元，2、充热流道，3、放热环道，4、储能环道，5、卡槽，6、脉动热管分支，7、蒸发段，8、输送段，9、冷凝段，10、相变材料，11、放热环道端盖，12、储能环道端盖，13、翅片，14、根部端口，15、外壁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例一：

如图1所示为一种相变材料与发散热管耦合储能系统，包括若干同中心轴线串联的储能单元1，所述储能单元1包括由内向外同心设置的充热流道2、放热环道3及储能环道4；相邻的储能单元1之间的充热流道2、放热环道3和储能环道4均通过卡槽5配合连接，且各自连通；

其中，所述储能单元1内设置有发散型脉动热管，且发散型脉动热管包括若干沿储能单元1周向均布的脉动热管分支6；所述脉动热管分支6包括位于充热流道2内的蒸发段7、位于放热环道3内的输送段8及位于储能环道4内的冷凝段9，且相邻的脉动热管分支6之间通过蒸发段7的根部端口14依次连通，使得发散型脉动热管整体构成一个闭合回路；所述储能环道4内填充有与冷凝段9紧密接触的相变材料10，且首尾两端的储能单元1上设置有放热环道端盖11及储能环道端盖12。

所述卡槽5内设置有耐高温耐腐蚀的密封垫圈，有效阻止连接处的流体或相变材料10的泄露；如图3所示，所述储能环道4的外壁15为夹层结构，夹层中间可进行抽真空、填充保温材料或者填充相变材料10，以减小热损耗。

发散型脉动热管分支6上的三部分，几何形状结构丰富。如图2、4所示，本实施例中，所述脉动热管分支6的蒸发段7及输送段8呈直线形，其上布置有翅片13，且冷凝段9呈耳形。

所述发散型脉动热管的材质为耐温耐压耐腐蚀高导热材料，可以为紫铜、不锈钢以及其他金属、合金等；所述发散型脉动热管的工质可采用自湿润流体、微纳胶囊相变材料乳液或纳米流体，比如水/庚醇溶液、金属纳米水溶液。

所述相变材料10为中高温相变材料或中低温相变材料，具体可为复合相变材料、胶囊相变材料或金属基相变材料等，比如熔盐、水合盐或Zn-Mg合金相变材料。

所述发散型脉动热管的启动温度低于所述相变材料10的相变温度。

所述储能单元1之间可根据实际条件进行旋转调整，用来调节不同储能单元1之间发散型脉动热管的相对位置，以调节流道内的流动阻力，从而提高流道内流体与脉动热管的换热能力。

该储能系统采用发散型脉动热管作为热输送媒介，不需要其他强制流动的传热介质，节约能耗；储能释能装置既能够作为固定式，也能作为移动式。这里的移动式指所设计的储能系统不需要与热源固定在一起，其储热过程和放热过程可在不同的地方进行，比如在工厂进行储热，因为储热系统结构比较灵活，可以通过卡车运动需要的地方进行放热。

本发明合理地将相变材料高潜热的优势和脉动热管的高导热性结构灵活以及成本低廉等优势结合在一起，余热流体经过中心的充热流道，与发散型脉动热管根部的蒸发段换热，热量由脉动热管输送到端部的储能环道区域，脉动热管上的翅片能够提高换热效率，相变材料通过显热形式或潜热形式存储热量，储存的热量通过脉动热管输送到中部，向换热介质快速放热。因此，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，解决了储热和放热在时间以及空间上的不匹配问题。

本发明中，所述储能单元的结构简单紧凑，系统外形可以根据实际结构灵活改变，并可多个单元进行连接组成大储能系统。本发明的若干个储能单元经过适当组合与设计后，适用于多种工业余热回收利用，具有潜在的经济价值和环保价值。

所述储能单元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。

实施例二：

如图5所示，本实施例中，所述脉动热管分支6的冷凝段9呈圆形结构，其他实施方式与实施例一相同。

实施例三：

如图6所示，本实施例中，所述脉动热管分支6的冷凝段9呈波浪形结构，其他实施方式与实施例一相同。

实施例四：

如图7所示，本实施例中，所述脉动热管分支6的冷凝段9呈三维螺旋形结构，其他实施方式与实施例一相同。

实施例五：

如图8所示，本实施例中，所述脉动热管分支6的输送段8呈半圆形结构，其他实施方式与实施例一相同。

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。