充放热速率可调联通式相变蓄热器及其充热取热方法与流程

1.本发明涉及相变蓄热器领域，尤其涉及一种充放热速率可调联通式相变蓄热器。


背景技术：

2.管壳式相变蓄热器是一种潜热蓄热器。在实践中，管壳式相变蓄热器主要有直管式和螺管式。但是由于换热过程中受到温差对换热效率的影响，使得该类装置在换热管的前段温差高的部分换热效率高，而后段的换热效率则随着温差的降低而降低，同时不均匀的温度场对蓄热材料容易局部产生较大的过度冷和过度热，可能对长期使用的稳定性产生影响。由于常规蓄热器管路的换热面积固定，单纯的通过调控质量流量，较难对蓄热器的充放热速率进行有效调控。当热源热量充足时，由于当热源热量不足时，对整个蓄热器进行蓄热时，会使得蓄热器内的相变材料不能完全融化；进而使放热时，出口水温达不到使用范围。此外，在进行变蓄热量式蓄热时，通常以增减其相变储热单元来实现，此过程操作繁琐。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种充放热速率可调联通式相变蓄热器。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种充放热速率可调联通式相变蓄热器，包括蓄热主体，所述蓄热主体具有空腔；所述蓄热主体内设置有若干的蓄热单元，所述蓄热单元之间通过骨架分隔；所述蓄热单元包括有流通管，所述流通管外侧位置设置有相变材料，所述流通管内空腔区域作为管程流道，所述流通管外侧与所述蓄热主体内壁之间空腔区域作为壳程流道；所述流通管的两端分别设置有分流腔、汇流腔，所述分流腔、所述汇流腔把所述蓄热单元的各个所述流通管连接一起；其中一个所述蓄热单元的所述分流腔上设置有进口管道，同一所述蓄热单元的所述汇流腔上设置有连接管，同一所述蓄热单元的的所述连接管与同一所述蓄热单元的所述壳程流道、另一个相邻所述蓄热单元的所述分流腔连通，所述蓄热单元上设置有出口管道与所述壳程流道连通；所述蓄热单元包括有挡片机构，所述挡片机构包括有固定挡片和活动挡片，所述固定挡片上设置有固定挡片第一通孔、固定挡片第二通孔，所述固定挡片第一通孔、所述固定挡片第二通孔用于分别与相邻的两个所述蓄热单元连通，所述活动挡片上设置有活动挡片第一切换孔、活动挡片第二切换孔、活动挡片第三切换孔，用于控制所述固定挡片第一通孔与所述固定挡片第二通孔均关闭、所述固定挡片第一通孔或所述固定挡片第二通孔择一开通、所述固定挡片第一通孔与所述固定挡片第二通孔均开通。
5.根据本发明所提供的充放热速率可调联通式相变蓄热器，通过采用蓄热单元内的管程流道、壳程流道优化设计，至少具有如下技术效果：相比于直管式相变蓄热装置，具有更大的换热系数，相比于等间距的螺旋管，具有更均匀的温度场。较于板式相变蓄热器具有更低的成本、更高的可控性。
6.作为本发明的一些优选实施例，所述蓄热主体上设置有保温层。
7.作为本发明的一些优选实施例，所述流通管外侧或者所述流通管外侧的所述相变材料设置有波纹结构。
8.作为本发明的一些优选实施例，所述蓄热单元上设置有扰流板。
9.作为本发明的一些优选实施例，所述骨架包括有隔板结构。
10.作为本发明的一些优选实施例，所述蓄热主体内的所述蓄热单元为四个，分别为左上侧的第一蓄热单元、右上侧的第二蓄热单元、右下侧的第三蓄热单元、左下侧的第四蓄热单元。
11.作为本发明的一些优选实施例，所述固定挡片与所述活动挡片通过转轴连接。
12.作为本发明的一些优选实施例，所述挡片机构包括有输入侧挡片机构与输出侧挡片机构。
13.作为本发明的一些优选实施例，相邻的两个所述蓄热单元的所述壳程流道之间设置有中接管。
14.根据本发明的第二方面实施例的一种充热取热方法，包括上述的充放热速率可调联通式相变蓄热器，其步骤包括：
15.(a)当充热流体为气体，通过所述壳程流道完成充热；
16.(b)当充热流体为液体，根据需要选择所需蓄热单元的数目来完成充热；
17.(b1)当充热流体的热量较小，质量流量较小时，挡片机构开通一个通道进入一个蓄热单元，流体从前侧的进口管道进入分流腔，然后顺着管程流道到达后侧的汇流腔，然后通过连接管到达同一蓄热单元后侧的壳程流道，流体在壳程流道从后侧到前侧，最后从前侧的出口管道排出；
18.(b2)当充热流体的热量较小，质量流量较大时，所述挡片机构开通两个通道进入两个蓄热单元，流体从前侧的进口管道进入蓄热主体，其中一股进入其中一个蓄热单元的分流腔，然后顺着管程流道到达后侧的汇流腔，然后通过连接管到达同一蓄热单元后侧的壳程流道，流体在壳程流道从后侧到前侧，另一股则进入另一个蓄热单元的分流腔，然后同样顺着管程流道到达后侧的汇流腔，然后通过连接管到达同一蓄热单元后侧的壳程流道，流体在壳程流道从后侧到前侧，最后两股流体从前侧的出口管道排出。
19.本发明的有益效果是：
20.1)本专利将蓄热单元的外表面进行规则弯曲，提升了流体的紊乱程度，提高了换热流体与相变材料的换热系数。
21.2)本专利将管壳式相变蓄热器的管程与壳程进行有效连接，在有限区域内，较大程度的增大了换热流体与相变材料的换热面积，提高了换热流体与相变材料的换热速率。
22.3)本专利将管壳式蓄热器管程的出口作为壳程的入口，管程的进口侧为壳程的出口侧，且每个蓄热单元的管程流向与壳程流向相反，提高了整体的温度均匀性。
23.4)本专利充热时可以通过控制充热流体流经充热模块的数量来控制储热量，相比于通过增减蓄热单元的方式来改变蓄热量，本专利更简单方便。
24.5)当热源热量较小时，本专利可以减少充热模块的数量，对蓄热器的部分相变材料进行充热。使放热时，取热流体满足需求温度。
25.6)当对蓄热器放热时，本专利将管壳式蓄热器管程与壳程进行连接，增加了蓄热器换热流体与相变材料的换热面积，相比于传统管壳式相变蓄热器具有更大的出口水温。
26.7)当对蓄热器进行充热时，本专利可使用多种不同形式的余热，增加了管壳式蓄热器的应用场所。
27.8)本专利在放热时可以通过蓄热器换热面积与取热流体的质量流量，对放热的出口水温与放热功率进行调控，控制方法多样，控制准确度更高。
28.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过发明的实践了解到。
附图说明
29.本发明的附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
30.图1是本发明充放热速率可调联通式相变蓄热器a-a截面的结构示意图；
31.图2是本发明充放热速率可调联通式相变蓄热器b-b截面的结构示意图；
32.图3是本发明充放热速率可调联通式相变蓄热器c方向的结构示意图；
33.图4是本发明充放热速率可调联通式相变蓄热器d方向的结构示意图；
34.图5是本发明充放热速率可调联通式相变蓄热器e-e截面的结构示意图；
35.图6是本发明充放热速率可调联通式相变蓄热器f-f截面的结构示意图；
36.图7是本发明中挡片机构的工作示意图；
37.图8是本发明进行充热步骤时的原理图；
38.图9是本发明进行放热步骤时的原理图；
39.图10是本发明进行比对试验的实施方式说明图；
40.图11是本发明换热流体与相变材料的导热热阻示意图；
41.图12是本发明进行比对试验得出的换热系数对比图。
42.附图标记：
43.蓄热主体100、进口管道110、出口管道120、连接管130、中接管140、保温层150、底座160；蓄热单元200、相变材料210、管程流道220、壳程流道230、分流腔240、汇流腔250、第一蓄热单元260、第二蓄热单元270、第三蓄热单元280、第四蓄热单元290；骨架300；挡片机构400、固定挡片410、固定挡片第一通孔411、固定挡片第二通孔412、活动挡片420、活动挡片第一切换孔421、活动挡片第二切换孔422、活动挡片第三切换孔423、输入侧挡片机构430、输出侧挡片机构440；扰流板500。
具体实施方式
44.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
45.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
46.在本发明的描述中，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本
数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
47.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
48.图1是本发明一个实施方式的a-a截面结构示意图，图2是本发明一个实施方式的b-b截面结构示意图，参照图1、图2，本发明的一个实施方式提供了一种充放热速率可调联通式相变蓄热器，包括蓄热主体100，蓄热主体100具有空腔。参照图3、图4，蓄热主体100之间可以串接或者并接。
49.进一步的，参照图5、图6，蓄热主体100内设置有若干的蓄热单元200，蓄热单元200之间通过骨架300分隔，保证蓄热主体100内的各个蓄热单元200之间相互相对密封分隔开来，保证各个蓄热单元200的流体不会串流。
50.再进一步的，蓄热单元200包括有流通管，流通管外侧位置设置有相变材料210。流通管内空腔区域作为管程流道220，流通管外侧与蓄热主体100内壁之间空腔区域作为壳程流道230。即蓄热单元200中各条流通管之间必然留有足够的空隙作为壳程流道230。
51.再进一步的，流通管的两端分别设置有分流腔240、汇流腔250，分流腔240、汇流腔250把蓄热单元200的各个流通管连接一起。即分流腔240、汇流腔250与管程流道220连通，而不与壳程流道230直接连通。
52.再进一步的，其中一个蓄热单元200的分流腔240上设置有进口管道110，同一蓄热单元200的汇流腔250上设置有连接管130，同一蓄热单元200的的连接管130与同一蓄热单元200的壳程流道230、另一个相邻蓄热单元200的分流腔240连通，蓄热单元200上设置有出口管道120与壳程流道230连通。
53.再进一步的，参照图7，蓄热单元200包括有挡片机构400。挡片机构400包括有固定挡片410和活动挡片420，即活动挡片420可相对固定挡片410活动。固定挡片410上设置有固定挡片第一通孔411、固定挡片第二通孔412，固定挡片第一通孔411、固定挡片第二通孔412用于分别与相邻的两个蓄热单元200连通。活动挡片420上设置有活动挡片第一切换孔421、活动挡片第二切换孔422、活动挡片第三切换孔423，用于控制固定挡片第一通孔411与固定挡片第二通孔412均关闭(全关闭)，或者控制固定挡片第一通孔411或固定挡片第二通孔412择一开通(开一个通道)，或者控制固定挡片第一通孔411与固定挡片第二通孔412均开通(开两个通道)。
54.在实际工作时，假设其中一个蓄热单元200的进口管道110、出口管道120在前侧，管程流道220、壳程流道230沿着前后侧方向延伸：
55.参照图8，一种充热取热方法，充热过程可根据流体以及其它需求，进行灵活调整。
56.当充热流体为气体，则可以只利用壳程流道230完成充热；
57.当充热流体为液体，则可以根据需要选择所需蓄热单元200的数目来完成充热。
58.当充热流体的热量较小，质量流量较小时，若对整个蓄热器的相变材料进行充热进行充热，会使相变材料不能完全融化，进而放热时，导致出口水温达不到需求温度。针对这种情况，挡片机构400只开通一个通道进入一个蓄热单元200，流体从前侧的进口管道110
进入分流腔240，然后顺着管程流道220到达后侧的汇流腔250，然后通过连接管130到达同一蓄热单元200后侧的壳程流道230，流体在壳程流道230从后侧到前侧(与在管程流道220的方向相反)，最后从前侧的出口管道120排出。
59.当充热流体的热量较小，质量流量较大时，若对整个蓄热器的相变材料进行充热进行充热，会使相变材料不能完全融化，进而放热时，出口水温达不到需求温度。若对蓄热器的部分相变蓄热时，由于质量流量较大，使得换热流体与相变材料没有足够的时间进行换热，降低充热功率。针对这种情况，本专利对蓄热器的两个蓄热单元200进行蓄热，且两个蓄热单元200以并联的方式连接。具体挡片机构400开通两个通道进入两个蓄热单元200(假设为蓄热单元a1、蓄热单元a2)，流体从前侧的进口管道110进入蓄热主体100，其中一股(a1股)进入蓄热单元a1的分流腔240，然后顺着管程流道220到达后侧的汇流腔250，然后通过连接管130到达同一蓄热单元200后侧的壳程流道230，流体在壳程流道230从后侧到前侧，另一股(a2股)则进入蓄热单元a2的分流腔240，然后同样顺着管程流道220到达后侧的汇流腔250，然后通过连接管130到达同一蓄热单元200后侧的壳程流道230，流体在壳程流道230从后侧到前侧。最后a1、a2两股流体从前侧的出口管道120排出。
60.参照图9，放热过程可根据末端需求以及其它需求，进行灵活调整。具体可通过同时控制质量流量、换热流经蓄热模块数量、换热流体流经管程和壳程数目来改变出水温度、放热功率；还可以通过增大换热流体流量、对大部分蓄热模块取热，换热流体走管程和壳程方式实现高出水温度、放热功率。
61.一些实施例，参照图5、图6，蓄热主体100上设置有保温层150，降低热量的散失。
62.一些实施例，流通管外侧或者流通管外侧的相变材料210设置有波纹结构，这种设计可以进一步提升流体的紊乱程度，提高了充热流体与相变材料的换热率。
63.一些实施例，蓄热单元200上设置有扰流板500，进一步提升流体的紊乱程度，提高了充热流体与相变材料的换热率。
64.一些实施例，骨架300包括有隔板结构，保证各个蓄热单元200的流体不会串流。
65.一些实施例，蓄热主体100内的蓄热单元为四个，分别为左上侧的第一蓄热单元260、右上侧的第二蓄热单元270、右下侧的第三蓄热单元280、左下侧的第四蓄热单元290。
66.一些实施例，固定挡片410与活动挡片420通过转轴连接，即活动挡片420可顺着转轴旋转，活动挡片420活动更灵活可靠。
67.一些实施例，固定挡片410与活动挡片420通过滑槽连接，即活动挡片420可沿着滑槽平移。
68.一些实施例，挡片机构400包括有输入侧挡片机构430与输出侧挡片机构440。
69.一些实施例，参照图3、图4，相邻的两个蓄热单元200的壳程流道230之间设置有中接管140。
70.一些实施例，当充热流体的热量、质量流量更大时，需对整个蓄热器的相变材料进行充热，由于管壳式相变蓄热器的管程面积有限，使得充热流体流经管程后的出口水温任然较高，降低的充热过程的出热率、效率。针对这种情况，本专利将蓄热器的管程与壳程进行连接，增加了蓄热器换热流体与相变材料的换热面积，涉及四个蓄热单元200(假设为蓄热单元a1、蓄热单元a2、蓄热单元b1、蓄热单元b2)。换热流体从前侧进口管道110经过输入侧挡片机构430，具体挡片机构400开通两个通道进入两个蓄热单元200(假设为蓄热单元
a1、蓄热单元b1)，对充热流体分流，分别流入上部分的蓄热单元a1、蓄热单元b1。
71.其中一股(a股)进入蓄热单元a1的分流腔240，然后顺着管程流道220到达后侧的汇流腔250，然后通过连接管130到达另一个蓄热单元200(蓄热单元a2)后侧的分流腔240进入管程流道220。流体在蓄热单元a2的管程流道220从后侧到前侧的汇流腔250，然后通过前侧的连接管130进入蓄热单元a2的壳程流道230。流体在蓄热单元a2的壳程流道230从前侧到后侧，再通过后侧的中接管140进入蓄热单元a1后侧的壳程流道230，流体在蓄热单元a1的壳程流道230从后侧到前侧。
72.另一股(b股)进入蓄热单元b1的分流腔240，然后顺着管程流道220到达后侧的汇流腔250，然后通过连接管130到达另一个蓄热单元200(蓄热单元b2)后侧的分流腔240进入管程流道220。流体在蓄热单元b2的管程流道220从后侧到前侧的汇流腔250，然后通过前侧的连接管130进入蓄热单元b2的壳程流道230。流体在蓄热单元b2的壳程流道230从前侧到后侧，再通过后侧的中接管140进入蓄热单元b1后侧的壳程流道230，流体在蓄热单元b1的壳程流道230从后侧到前侧。
73.最后a、b两股流体在经过输出侧挡片机构440汇入后从前侧的出口管道120排出，完成对整个管壳式相变蓄热器的充热。
74.一些实施例，余热为热水时，放热过程的应用场景：
75.此处末端的取热方式均为辐射换热。为了满足末端不同出口水温，不同负荷的需求，通常采用控制室外冷水与蓄热器出口取热流体进行混合时两者的质量流量的方法。此方法需要另接混水管路，增加了管路布置的难度和初始成本，且控制方法单一不能满足多种出口水温，负荷的需求。本专利通过控制取热流体与相变材料的换热面积、取热的质量流量的多方式控制手段。
76.当末端需要不同温度的出口水温时，通过有效管路串联第一蓄热单元260、第二蓄热单元270、第三蓄热单元280、第四蓄热单元290的数量，取热流体流经每个蓄热模块的管程流道220、壳程流道230进行取热。
77.当末端需求的水温、负荷较高时，通过减小取热流体流速、延迟取热流体与相变材料换热时间来获取，此过程会减小放热功率。本专利将管壳式蓄热器的管程与壳程进行连接，增加了蓄热器换热流体与相变材料的换热面积。换热流体从前侧的进口管道110经过输入侧挡片机构430切换两个通道，对充热流体分流，分别流入上部分的第一蓄热单元260、第二蓄热单元270。一股换热流体第一蓄热单元260的分流腔240，管程流道220，在第一蓄热单元260的汇流腔250中汇流，此时通过后侧的连接管130，汇流后流体进入第四蓄热单元290的管程流道220与另一股流经第二蓄热单元270的分流腔240，管程流道220，在第二蓄热单元270的汇流腔250中汇流，汇流后依次经过连接管130在第三蓄热单元280的汇流腔250混合。此时通过连接管130，流体依次流经第三蓄热单元280的分流腔240、壳程流道230，在第四蓄热单元290的分流腔240进行分流。此时打开中接管140，一股流体流经后侧的连接管130(第一蓄热单元260、第四蓄热单元290之间)、壳程流道230、输出侧挡片机构440，从前侧的出口管道120流出；另一股流体流经后侧的连接管130(第二蓄热单元270、第三蓄热单元280)、壳程流道230、输出侧挡片机构440，从前侧的出口管道120流出，进而满足末端更高出口水温、放热功率的需求。
78.一些实施例，余热为高温蒸汽时，充热过程的应用场景：
79.水蒸气换热可能会产生凝水，会在狭小管道中形成气液流，破坏管道水蒸气流通的流体形态，甚至可能在弯曲部分产生水击，因此余热为高温蒸汽，高温蒸汽需走壳程对相变材料进行充热。通过接入前侧的连接管130、壳程流道230，并在第四蓄热单元290的分流腔240进行分流。此时打开第一蓄热单元260、第四蓄热单元290之间的中接管140、第二蓄热单元270、第三蓄热单元280之间的中接管140，一股流体流经第一蓄热单元260、第四蓄热单元290之间的中接管140、壳程流道230、输出侧挡片机构440，从前侧的出口管道120流出；另一股流体流经管道40、第二蓄热单元270、第三蓄热单元280之间的中接管140、壳程流道230、输出侧挡片机构440，从前侧的出口管道120流出，完成充热。
80.余热为高温蒸汽时，放热过程的操作模式和余热为热水时，放热过程操作方式相同。
81.一些实施例，蓄热主体100为卧式结构，蓄热主体100上设置有底座160。
82.一些实施例，将本专利蓄热单元的换热流体与pcm的换热系数与目前已有蓄热单元的换热流体进行计算对比，具体结构参照图10，包括本专利蓄热单元流向示意(本专利技术)、对比蓄热单元流向1(对比技术1)、对比蓄热单元流向2(对比技术2)共三组，上述三组的蓄热单元的内径为d1＝0.01m，d4＝0.05m，相变材料为60号石蜡，石蜡导热系数λpcm＝0.558w/m/k，相变材料体积vpcm＝23.8326cm3，管壁导热系数λtube＝401w/m/k；用质量流量为0.005kg/s；进口水温tin＝75℃进行充热。
83.换热流体与相变材料的到热热阻参照图11所示，其中，r1、r5为内/外对流换热热阻、r2、r4为内/外管壁导热热阻、r3相变材料导热热阻，具体的计算如公式1-5。
[0084][0085][0086][0087][0088][0089]
换热系数h
w-pcm
计算如下：
[0090][0091]
管内对流换热系数：
[0092]
h1＝0.022re
0.8
pr
0.3
λw/d
domi
ꢀꢀꢀ
(7)
[0093][0094]
环形管内对流换热系数：
[0095][0096][0097]
参照图12，根据测试结构，本专利技术、对比技术1、对比技术2三组不同蓄热单元结构、流向的换热系数相对大小与换热系数减小率，可以看出本专利的换热系数相比于其余两个对比技术的方式，具有更大的换热系数。
[0098]
在本说明书的描述中，参考术语“一些实施例”或、“可以想到的是”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0099]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。