CN111306973A - 一种双流道板翅式相变蓄热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的双流道板翅式相变蓄热器，主要由换热板及相变材料组成。所述双流道换热板包括：由两片金属板焊接而成的中空形板片，在板片中焊接出双通道分布，经高压膨胀后形成可供不同流体流经的双流道换热板。板片经连接件固定组成换热板片组，在板片间隙填充相变材料进行储能。由于相变材料导热系数较低，进一步在板片外表面加工翅片，强化相变材料的传热。所述新型双流道板翅式相变蓄热器具有换热面积大，储能密度高，传热速率快，适用范围广等优点。

Description

一种双流道板翅式相变蓄热器

技术领域

本发明的目的在于提供一种板片内具有双流道分布的板翅式相变蓄热器，用于热能的回收储存再利用，属于能源高效利用及节能环保领域。

技术背景

近几十年来，随着社会经济的发展和人们生活水平的不断提高，能源的消耗量不断增大。我国的能源利用率远远低于发达国家，由此引发的能源危机及环境问题日益严重。提高能源利用率、降低能耗对我国实现节能减排，可持续发展具有重要意义。相变材料(Phase Change Material，PCM)是一种具有高储能密度的材料，且相变过程温度恒定。利用相变材料对能量进行储存和利用，可解决能量在时间或空间上分布不均匀的问题，有助于实现能量的回收再利用，提高能源利用效率。相变材料在余热回收，太阳能利用，建筑节能，电子器件控温等领域均具有广阔的应用前景。

蓄热器是一种将相变材料及换热器装置结合起来的储能换热装置。传统的蓄热器多为管壳式结构，传热面积较小，传热速率较低。板式换热器相对管壳式换热器具有更高的传热面积，适用于热导率较低的相变材料储能领域。目前所研究的板式蓄热器多为单流道结构，无法应用于具有多种工作流体的场合。

中国专利CN206113738U公开了一种储热板和储热器，其包括两个金属板和位于两个金属板之间的储热腔，储热腔内填充有储热材料，相邻储热板之间形成换热介质通道。该实用新型将高储热密度的储热材料与金属板相结合，提高了储热器的换热面积，提升了储热器的储热性能，而且减小了储热器的体积，进而节约了占用空间。但该实用新型适用性较低，无法应用于具有多种工作流体的蓄能应用场合。

中国专利CN205980893U公开了一种基于相变蓄热材料的新型蓄热器，包括箱体，箱体内设置有多个换热板，换热板和换热板之间、换热板和箱体之间形成多个空腔，两个相邻的空腔分别为换热流体空腔和蓄热空腔。在蓄热空腔之间填充有相变蓄热材料，相变蓄热材料与换热流体进行换热。箱体内部形成独立的蓄热系统和换热系统，二者共同进行作业，完成蓄热器的放热蓄热功能。该结构紧凑简单，便于携带且拆装简单，蓄热系统中的相变蓄热材料可以根据使用的需要进行更换，适用范围广。但该实用新型难以填充固定相变材料，相变材料发生相变时容易发生泄漏，同时该结构只有一个流道分布，只能流经同一种换热流体。

中国专利CN204555778U公开了一种管壳式多功能相变储能换热器，包括壳体、管箱、封头、管板、双层套管换热管、若干折流元件。换热器壳体上及管程上均设流体的进口和出口接管。储热流体与放热流体均走管程或壳程或同时走管程和壳程，以加快储热或取热速率。该换热器结构简单、操作方便、介质和工艺适应性强。但该实用新型具有换热面积较小，占地面积大等缺点。

此外，上述现有技术中还存在相变材料导热系数较低，系统放热速率较慢的不足。因此，需要提供一种能够克服现有技术所存在的上述问题的基于相变材料的蓄热器。本发明提出一种新型的板翅式相变蓄热器，相比于上述蓄热器，所述板式蓄热器具有双流道分布，具有较大的换热面积，换热速率快，占地空间小，适应范围更广，能够高效回收热能及储存能量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种换热面积大，换热效率高，适用范围广，具有双流道分布的板翅式相变蓄热器。

本发明采用的技术方案如下：

一种双流道板翅式相变蓄热器，包括蓄热器壳体，板翅式换热板组及相变材料，所述板翅式换热板组设置于蓄热器壳体内；所述板翅式换热板组由多个换热板间隔设置，换热板经连接件固定为板翅式换热板组，所述换热板由两片金属板焊接而成，板片上端设置开口，与进出口接管相连，用于工作流体流入板片进行加热或放热，储热材料均匀填充于板片间隙中。

进一步地，在换热板上焊接出两个流道分布，经高压膨胀后形成流动介质通道。单板片内具有两个独立的流道结构，便于不同流体的蓄热和放热。热流体流经流道对系统进行加热，冷流体流经另一个流道对系统进行放热。具有双流道分布的板式蓄热器可用于多种工作流体的储热领域，具有更宽的应用范围。

进一步地，所述储热材料为固液相变材料，相变材料经加热融化为液体，倒入所述外壳中，均匀填充于所述板翅式储热器的换热板间隔中。

进一步地，在板片流道间焊接扰流点，强化流体的湍流程度，增加板片的表面积，增大板片与相变材料的传热面积。

进一步地，为强化相变材料传热，在换热板外表面均匀排列铺设翅片，所述换热板外表面上设置有翅片；以强化相变材料的热导率。所述翅片为矩形交叉状三维翅片，所述翅片与换热板经焊接连接。

进一步地，多个换热板之间通过连接件进行固定，所述连接件位于板片组侧面，连接件为金属组件，与板片通过焊接形式进行连接。

进一步地，所述换热板顶部设置流道开口，流体经进口接管流入，在圆管中均匀分配后流入板片流道中，流经板片后从另一侧出口接管流出。

进一步地，板片内流道的分布，流道数量可根据实际换热工况，效率等要求进行设计调节。

进一步地，所述板片及翅片、壳体的材料选自不锈钢；板片及翅片、壳体的材料包括但不限于不锈钢等金属材料，板片及翅片材料可根据相变材料对封装材料的腐蚀性进行选择。

进一步地，热流体流经板片流道加热相变材料，相变材料熔化为液体储存能量，冷流体流经另一个流道对相变材料进行冷却，相变材料凝固释放潜热。所述两个流道之间互不相通，工作流体可顺流或逆流换热。

本发明具有以下特点：

1、本发明提出一种新型的板翅式相变蓄热器，实现单板片内的双流道布置。板片间隙填充储能相变材料，结合板式换热器具有传热面积大等优点，能够有效提高相变储热系统的整体传热速率。进一步地，为提高相变材料的热导率，在板片外表面添加翅片。该新型板翅式相变蓄热器适用于多个领域，如热泵热水器储水，太阳能储热，工程废气回收等。

2、相变储能材料具有温度范围广，储能密度大，性能稳定，成本低廉等优点。相变材料的应用可以大幅提高系统的储能容量。根据系统应用场景选择不同相变温度的相变材料，能够适应多种温度需求，具有高储能效率。

3、双流道设计适用于具有两种不同流动介质的储能领域。进一步地，换热板流道设计灵活，可根据实际应用对流道的数量，分布进行布置。实现双流道甚至多流道分布，应用范围广。

附图说明

图1为本发明装置示意图。

图2为本发明装置板片组示意图。

图3为本发明装置板片流道示意图。

图中各个部件如下：壳体1、换热板2、相变材料3、管道4、圆管5、入口接管6、连接件7、翅片8。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例为一部分实施例，本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

一种双流道板翅式相变蓄热器，包括蓄热器壳体1，板翅式换热板组及相变材料3，所述板翅式换热板组设置于蓄热器壳体1内。所述板翅式换热板组由多个换热板2间隔设置，换热板2经连接件7固定为板翅式换热板组，所述换热板2由两片金属板焊接而成，板片上端设置开口，与进出口接管相连，用于工作流体流入板片进行加热或放热，储热材料均匀填充于板片间隙中。所述中空型换热板内部设置有两个独立流道结构，便于不同流体进行蓄热和放热。所述储热材料为固液相变材料，相变材料经加热融化为液体，倒入所述外壳中，均匀填充于所述板翅式储热器换热板间隔中。在板片流道间焊接扰流点，强化流体的湍流程度，增加板片的表面积，增大板片与相变材料的接触面积。所述换热板外表面上设置有翅片8；所述翅片8为矩形十字交叉状三维翅片，所述翅片8与换热板经焊接连接。多个换热板之间通过连接件7进行固定，所述连接7件位于板片组侧面，连接件7为金属组件，与板片通过焊接形式进行连接。所述换热板2顶部设置流道开口，所述开口与管道4连接，所述管道4由圆管5相连，圆管段与入口接管6焊接相连，用于引入工作流体。所述板片及翅片、壳体的材料选自不锈钢。本实施例中单板片内双流道的分布设计可实现板式换热器在两种工作流体介质的储能领域的应用。固液相变材料作为储能材料填充于换热板间隙中。系统整体具有换热效率高，储能密度大，操作灵活度高，适用范围广等优点。

本发明的工作原理是：工作流体流经入口接管6，由圆管5均匀分配至各板片相连管道4，流经板片内分布的流道后由另一侧出口流出。当加热流体流经流道时，流体折返流经板片，充分对板片间隙填充的相变材料进行加热，固态相变材料受热融化，储存能量。冷流体流经另一个流道，对系统进行冷却，液态相变材料释放潜热变为固态，冷流体经换热后温度升高，用于生活热水应用等领域。

实施例1

本实施例新型板翅式相变蓄热器用于居民生活热水的制备，其各个部件的设计参数包括：

板片尺寸：500×250mm厚度2mm，数量15片；

流道宽度：50mm，流道焊缝宽度：10mm；

扰流点间隙：55mm；

压力吹起高度：2～8mm；

外箱体尺寸：500×250×280mm；

板片及翅片、壳体材料：SUS304；

相变材料：三水醋酸钠；

材料物性：密度：1300kg/m³，相变焓值：240J/g，相变温度：57～59℃，热导率：0.54W/m^.K。

填充材料重量：30kg

使用温度范围：40～50℃

加热流体：自来水，入口温度为75℃，流量为500L/h

放热流体：自来水，入口温度为25℃，流量为300L/h

操作方式：在低谷电时加热自来水，热源流体流经板内对相变材料进行加热，相变材料发生相变，储存能量。峰谷电时，冷水流经管程，从相变材料中放热制备生活热水。

实施例2

本实施例新型板翅式相变蓄热器用于对数据中心服务器的冷却，其各个部件的设计参数包括：

板片尺寸：1.2×0.8m厚度3mm，数量20片；

流道宽度：0.1m，流道焊缝宽度：0.1m；

外箱体尺寸：1.2×0.81×1.52m；

板片及翅片、壳体材料：铝；

相变材料：正十六烷；

材料物性：密度：802kg/m³，相变焓值：236.5J/g，相变温度：15.5～18.3℃，

热导率：0.17W/m^.K；

填充材料重量：480kg；

工作流体：水，加热温度为24～35℃，流量为0.126～0.378kg/s；放热温度为7.2～12.8℃，流量为0.378kg/s。

操作方式：在夜间使用冷却器对水进行冷却，将相变材料冷却至固体。在白天服务器工作高峰的时候，水带走服务器工作产生的热量，与冷却的相变材料进行换热，以维持服务器工作温度稳定。

实施例3

本实施例新型板翅式相变蓄热器用于对太阳能热量的收集利用，其各个部件的设计参数包括：

板片尺寸：1.0×0.6m厚度2mm，数量10片；

流道宽度：0.15m；

外箱体尺寸：1.1×0.65×0.5m；

板片及翅片、壳体材料：不锈钢；

相变材料：石蜡；

材料物性：密度：780kg/m³，相变焓值：256J/g，相变温度：52℃，热导率：0.15W/m^.K；

填充材料重量：50kg；

工作流体：水，加热温度为60～80℃，流量为100L/h，放热温度为20～30℃，流量为300L/h；

操作方式：白天太阳光加热水，水与相变材料换热将热量储存于相变材料中，夜晚居民用水高峰时相变材料与水换热加热自来水用于生活热水。

Claims (8)

1.一种双流道板翅式相变蓄热器，包括蓄热器壳体(1)，板翅式换热板组及相变材料(3)，所述板翅式换热板组设置于蓄热器壳体(1)内，其特征在于：所述板翅式换热板组由多个换热板(2)间隔设置，换热板(2)经连接件(7)固定为板翅式换热板组，所述换热板(2)由两片金属板焊接而成，板片上端设置开口，与进出口接管相连，用于工作流体流入板片进行加热或放热，储热材料均匀填充于板片间隙中。

2.根据权利要求1所述的双流道板翅式相变蓄热器，其特征在于，所述中空型换热板内部设置有两个独立流道结构，便于不同流体进行蓄热和放热。

3.根据权利要求1所述的双流道板翅式相变蓄热器，其特征在于，所述储热材料为固液相变材料，相变材料经加热融化为液体，倒入所述外壳中，均匀填充于所述板翅式储热器换热板间隔中。

4.根据权利要求1所述的双流道板翅式相变蓄热器，其特征在于，在板片流道间焊接扰流点，强化流体的湍流程度，增加板片的表面积，增大板片与相变材料的接触面积。

5.根据权利要求1所述的双流道板翅式相变蓄热器，其特征在于，所述换热板外表面上设置有翅片(8)；所述翅片(8)为矩形十字交叉状三维翅片，所述翅片(8)与换热板经焊接连接。

6.根据权利要求1所述的双流道板翅式相变蓄热器，其特征在于，多个换热板之间通过连接件(7)进行固定，所述连接(7)件位于板片组侧面，连接件(7)为金属组件，与板片通过焊接形式进行连接。

7.根据权利要求1所述的双流道板翅式相变蓄热器，其特征在于，所述换热板(2)顶部设置流道开口，所述开口与管道(4)连接，所述管道(4)由圆管(5)相连，圆管段与入口接管(6)焊接相连，用于引入工作流体。

8.根据权利要求1所述的双流道板翅式相变蓄热器，其特征在于，所述板片及翅片、壳体的材料选自不锈钢。

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