一种内管可移动的新型管壳式相变储热装置及工作方法

1.本发明涉及一种内管可移动的新型管壳式相变储热装置及工作方法，属于相变储热装置强化传热技术领域。


背景技术：

2.相较于显热储热技术和热化学储热技术，相变储热技术既具有较好的储热能力，同时其储热过程基本保持恒温较为稳定，在一定程度上综合了另外两种储热技术的优点。但除金属类相变材料外，大多相变材料的导热性能却相对较差，这导致相变储热系统的储放热时间长，储放热速率慢。
3.针对上述缺点，研究人员们提出了许多解决方案，如向相变材料内添加高导热材料以提高其导热性能，在相变装置内加入翅片或热管以增大换热面积，优化储热装置外壳和内管的设计以优化相变过程等。但上述解决方案并没有显著强化储放热阶段的自然对流，而对于相变储热装置，自然对流会显著影响其储放热过程，因此通过强化对流来提高储热器的传热性能是有必要的。
4.如现有技术：中国专利文件(申请号：202021990374.x公告号：cn 215114115 u)公开了一种主动搅拌式相变储热装置，但在实际放热过程中，由于固态相变材料的形成，该发明存在搅拌器无法长时间工作且易磨损，强化传热时间短且维护成本高等缺点；中国专利文件(申请号：201922085708.2公告号：cn 211651338 u)公开了一种内置活动式换热器的固-液相变储热装置，但该发明存在内部管道复杂，传热流体流动阻力大，传热板受热不均匀等缺点。因此，亟需一种结构简单，维护成本低的通过强化对流来提高传热性能的相变储热装置。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种新型的内管可移动的管壳式相变储热装置，通过内管移动加强了储放热过程的对流换热，本发明还提供了上述装置的工作运行方法。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种内管可移动的新型管壳式相变储热装置，包括内管、外壳、内管移动控制机构和辅助机构，相变材料封装在外壳与内管之间，内管内为换热流体，内管移动控制机构用于驱动内管移动，辅助机构用于连接内管与外壳并与内管一起与外壳相对移动，同时还要保证内管与外壳可以相互运动且在移动的过程中液态相变材料不发生泄露。
8.优选的，外壳为圆柱体，内管与外壳中轴线平行，内管贯穿外壳，辅助机构为圆盘或长方形板；
9.辅助机构为圆盘时，辅助机构分别设于外壳两端端面，圆盘圆心在外壳中轴线上，内管偏心贯穿圆盘；内管离心转动时，圆盘随之转动，从而带动外壳内的材料流动；
10.辅助机构为长方形板时，外壳两端沿径向开设径向通道，长方形板位于径向通道
上，内管贯穿长方形板，内管上下移动时，长方形板随之上下移动，从而带动外壳内的材料流动。辅助机构与外壳精密贴合下可满足常规要求。
11.一种内管可移动的新型管壳式相变储热装置的工作方法，包括储热强化方法和放热强化方法；
12.储热强化方法过程如下：
13.(1)内管移动控制机构控制内管移动，保持内管贴近固态相变材料，通过减少内管与固态相变材料的热阻，强化储热过程；
14.(2)内管移动控制机构控制内管在已熔化的相变材料内移动，通过扰动液态相变材料的流动，增大换热流体与液态相变材料的对流换热以及液态相变材料和固态相变材料的对流换热，加快固态相变材料的熔化，强化储热过程；
15.放热强化方法过程如下：
16.内管移动控制机构控制内管在液态相变材料内移动，通过扰动液态相变材料的流动，增大液态相变材料和固态相变材料的对流换热，加快液态相变材料的凝固，强化放热过程。
17.本发明的有益效果在于：
18.(1)相较于内管固定的管壳式相变储热装置，本发明通过内管移动加强了储放热过程的对流换热，有效提高了管壳式相变储热装置的储放热性能。
19.(2)相较于传统同心管壳式相变储热装置，本发明有效缩短了储热时间；相较于内管偏心的管壳式相变储热装置，本发明有效缩短了放热时间。
20.(3)相较于通过在相变储热装置内添加翅片强化储放热过程的技术，本发明在不减少储热量的前提下，强化了储放热过程，减少了储放热时间。
附图说明
21.图1是本发明的一种新型的内管可移动的卧式管壳式相变储热装置的结构示意图。
22.图2是本发明的一种新型的内管可移动的卧式管壳式相变储热装置的侧视结构示意图。
23.图3是本发明实施例1和2的立体结构示意图。
24.图4是本发明实施例1和2的主视示意图。
25.图5是本发明实施例3的立体结构示意图。
26.图6是本发明实施例3的主视示意图。
27.图7是对比例和实施例1储放热过程相变材料的液相分数变化图。
28.图8是对比例和实施例1的储放热总时间对比图。
29.图中：1、内管，2、外壳，3、相变材料，4、传热流体，5、储罐固定台，6、内管移动控制机构，7、辅助机构，7-1、圆盘，7-2、长方形板。
具体实施方式
30.下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
31.实施例1：
32.如图1、图2和图3所示，一种内管可移动的新型管壳式相变储热装置，包括内管1、外壳2、内管移动控制机构6和辅助机构7，外壳2置于储罐固定台5上，相变材料3封装在外壳与内管之间，内管内为换热流体4，内管移动控制机构用于驱动内管移动，辅助机构用于连接内管与外壳并与内管一起与外壳相对移动，同时还要保证内管与外壳可以相互运动且在移动的过程中液态相变材料不发生泄露。其中外壳2直径为80mm，内管1直径为40mm，相变材料3为月桂酸。
33.外壳为圆柱体，内管与外壳中轴线平行，内管贯穿外壳，辅助机构为长方形板，如图3、图4所示，外壳两端沿径向开设径向通道，长方形板位于径向通道上，内管贯穿长方形板，内管上下移动时，长方形板随之上下移动，从而带动外壳内的材料流动。辅助机构与外壳精密贴合下可满足常规要求。
34.一种内管可移动的新型管壳式相变储热装置的工作方法，包括储热强化方法和放热强化方法；
35.储热强化方法过程如下：
36.相变材料3初始温度为20℃，换热流体4温度80℃，内管1的圆心在外壳圆心位置(p1)静止10s(此时内管周围固态相变材料3熔化为液态)，然后内管移动控制机构控制内管1以0.1mm/s的速度向下移动15mm至p2位置，之后内管1在p2位置保持静止，保持内管贴近固态相变材料，通过减少内管与固态相变材料的热阻，强化储热过程；内管移动控制机构控制内管在已熔化的相变材料内移动，通过扰动液态相变材料的流动，增大换热流体与液态相变材料的对流换热以及液态相变材料和固态相变材料的对流换热，加快固态相变材料的熔化，强化储热过程；
37.放热强化方法过程如下：
38.当相变材料3全部熔化完毕后，传热流体4换为温度20℃的冷流体，内管1在内管移动控制机构6的控制下以0.1mm/s的速度从p2向上移动至p1，之后内管在p1位置保持静止。内管移动控制机构控制内管在液态相变材料内移动，通过扰动液态相变材料的流动，增大液态相变材料和固态相变材料的对流换热，加快液态相变材料的凝固，强化放热过程。
39.对比例1：传统同心管壳式相变储热装置的储放热过程，即内管1的圆心在p1位置固定不动时，在相变材料3和传热流体4设置与实施例1相同的情况下的储放热过程。
40.对比例2：内管偏心的管壳式相变储热装置的储放热过程，即内管1的圆心在p2位置固定不动时，在相变材料3和传热流体4设置与实施例1相同的情况下的储放热过程。
41.通过ansys fluent模拟可知，对比例1为内管静止时该储热器放热时间最短的工况；对比例2为内管静止时该储热器储热时间最短的工况。但由于内管静止，对比例1的储热时间较长，对比例2的放热时间较长，而通过控制内管移动，可以解决对比例1和2存在的问题。图7为2个对比例和实施例1在储放热过程中相变材料液相分数的变化，图8为2个对比例和实施例1的储放热时间，从图中可以看出通过内管的简单移动，实施例避免了对比例1和2的在储放热过程的缺点而有效减少了总储放热时间，相较于对比例1，实施例的储热时间缩短了76.68％，总储放热时间缩短了26.56％；相较于对比例2，实施例的放热时间缩短了60.18％，总储放热时间缩短了57.145％。
42.实施例2：
43.一种内管可移动的新型管壳式相变储热装置，与实施例1不同之处在于，在储热过
程和放热过程种，可以在液态相变材料3的区域内进行往返多次移动，通过扰动液态相变材料的流动增强储放热过程的对流换热，进一步缩短储放热时间。
44.实施例3：
45.一种内管可移动的新型管壳式相变储热装置，与实施例1和实施例2的不同之处在于辅助机构7，辅助机构为圆盘，辅助机构分别设于外壳两端端面，圆盘圆心在外壳中轴线上，内管偏心贯穿圆盘；内管离心转动时，圆盘随之转动，从而带动外壳内的材料流动；内管1可以在如图5、图6的辅助机构上，在内管移动控制机构6的控制下实现定轴转动，同样可以实现通过扰动液态相变材料的流动增强储放热过程的对流换热，达到缩短储放热时间的目的。