椭圆弯管蓄冷相变材料装置的制作方法

本发明涉及蓄冷空调技术领域，特别是涉及一种椭圆弯管蓄冷相变材料装置。

背景技术：

近年来，风力及太阳能发电已成为发展最快、最成熟、最具规模化商业前景的可再生能源发电技术。尽管可再生能源发电成本已与常规能源相当接近，但其大规模利用却仍受到很大限制，主要原因在于风能及太阳能固有的间歇性和不稳定性，使得功率输出无法持续稳定。风电、光电比重越大，波动性与随机性也越大。储能技术由此应运而生，是解决风电大规模并网问题的主要途径。而常用的储能方式包括：抽水储能、蓄电池储能、飞轮储能、超导磁储能、超级电容储能以及压缩空气储能等。深冷液化空气储能作为一种新型规模储能技术，为可再生能源的高效、安全利用提供了一个新的、有吸引力的解决方案。然而，现有的制冷系统的装机容量较高，蓄冷装置存在蓄冷效果较差以及有效利用率低的问题。

技术实现要素：

为解决以上技术问题，本发明提供一种椭圆弯管蓄冷相变材料装置，提高制冷系统的换热效率，提高能量利用效率，以达到小容量高效率的目标，极大的提高了蓄冷效果，提高蓄冷装置的有效利用率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种椭圆弯管蓄冷相变材料装置，包括壳体、两个端盖、偶数个分隔板和多个椭圆管，所述壳体为圆筒状，所述壳体的两端分别可拆卸连接有一个所述端盖，各所述分隔板包括两个平行的第一侧边和第二侧边，各所述分隔板的所述第一侧边固定于所述壳体的内侧壁上，且所述第一侧边与所述壳体的中心轴线平行，相邻的两个所述分隔板的所述第二侧边固定连接，相邻的两个所述分隔板之间形成一个扇形区，各所述扇形区内设置有一个所述椭圆管，各所述椭圆管的外侧壁上设置有多个肋片，所述椭圆管固定于两个所述端盖上，且所述椭圆管的两端均与外界连通，相邻的两个所述椭圆管由同一所述端盖伸出的一端通过连接管连通，所述椭圆管和所述连接管用于承载载冷流体，所述壳体与所述椭圆管之间用于填充相变蓄冷介质。

优选地，所述椭圆管的轴向方向与所述壳体的轴向方向一致。

优选地，各所述肋片与所述椭圆管连接的侧边均与所述壳体的中心轴线平行。

优选地，在椭圆管的横截面上多个所述肋片相对于所述椭圆管的横截面的长轴对称分布。

优选地，所述壳体外覆盖有保温层。

优选地，所述分隔板的长度与所述壳体的长度相同。

优选地，各所述分隔板的所述第二侧边交汇于所述壳体的中心轴线处。

优选地，任意两个相邻的所述分隔板的夹角相同。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的椭圆弯管蓄冷相变材料装置，分隔板将壳体分割为多个扇形区，每个扇形区构成单独的系统，减少各扇形区相互之间的影响，每个扇形区中设置有一个椭圆管，壳体与椭圆管之间用于填充相变蓄冷介质，相邻的两个椭圆管通过连接管连通，椭圆管和连接管用于承载载冷流体，使其与相变蓄冷介质充分接触，防止其与相变蓄冷介质混合，肋片能够增加相变蓄冷介质与载冷流体对流时的传热面积，并且增加了表面传热系数，进而增强载冷流体与相变蓄冷介质的对流换热效果，并调控内部环境的温度，极大的提高了蓄冷效果，达到以小容量实现高效率蓄冷的目标，提高蓄冷装置的有效利用率，降低制冷系统的装机容量。同时，椭圆管对管外绕流而言将脱体绕流点延迟，可减小管外压降；对管内流动而言，管道当量直径减小，对换热是有利的；椭圆管更容易实现紧凑布置，使整个换热器整体体积减小，从而减小了占地面积，或者将椭圆管的管间距减小使得同样的空间可以布置更多的换热管，进而提升换热效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的椭圆弯管蓄冷相变材料装置的截面图；

图2为本发明提供的椭圆弯管蓄冷相变材料装置的俯视图；

图3为本发明提供的椭圆弯管蓄冷相变材料装置的侧视图；

图4为本发明中椭圆弯管的侧视图；

图5为本发明中椭圆弯管的正视图；

图6为本发明中椭圆弯管的俯视图。

附图标记说明：1、壳体；2、分隔板；3、椭圆管；4、肋片；5、保温层；6、连接管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种椭圆弯管蓄冷相变材料装置，提高制冷系统的换热效率，提高能量利用效率，以达到小容量高效率的目标，极大的提高了蓄冷效果，提高蓄冷装置的有效利用率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-6所示，本实施例提供一种椭圆弯管蓄冷相变材料装置，包括壳体1、两个端盖、偶数个分隔板2和多个椭圆管3，壳体1为圆筒状，壳体1的两端分别可拆卸连接有一个端盖，各分隔板2包括两个平行的第一侧边和第二侧边，各分隔板2的第一侧边固定于壳体1的内侧壁上，且第一侧边与壳体1的中心轴线平行，相邻的两个分隔板2的第二侧边固定连接，相邻的两个分隔板2之间形成一个扇形区，每个扇形区构成单独的系统，减少各扇形区相互之间的影响。各扇形区内设置有一个椭圆管3，各椭圆管3的外侧壁上设置有多个肋片4，椭圆管3固定于两个端盖上，且椭圆管3的两端均与外界连通，相邻的两个椭圆管3由同一端盖伸出的一端通过连接管6连通，相邻的两个椭圆管3与连接这两者的连接管6形成一组椭圆弯管，椭圆管3和连接管6用于承载载冷流体，壳体1与椭圆管3之间用于填充相变蓄冷介质，相变蓄冷介质为受到微弱温度变化即发生相变的材料。具体地，相变蓄冷介质为cacl2·6h2o、mgso4·3h2o、naso4·10h2o、固体石蜡、十四烷或硬脂酸酯。

具体地，壳体1采用抗腐蚀的材料，在壳体1上涂上反射比很大的金属箔层。分隔板2选用硬度较高且抗冲击力强的塑料薄膜，并且在分隔板2上涂上反射比很大的金属箔层，金属箔层厚约为0.01-0.05mm，箔层间嵌入质轻且导热系数小的材料作为分隔层。肋片4为长方形直肋片。

本实施例中壳体1与椭圆管3之间用于填充相变蓄冷介质，相邻的两个椭圆管3通过连接管6连通，椭圆管3和连接管6用于承载载冷流体，使其与相变蓄冷介质充分接触，防止其与相变蓄冷介质混合，椭圆管3上的肋片4能够增加相变蓄冷介质与载冷流体对流时的传热面积，并且增加了表面传热系数，进而增强载冷流体与相变蓄冷介质的对流换热效果，并调控内部环境的温度，极大的提高了蓄冷效果，达到以小容量实现高效率蓄冷的目标，提高蓄冷装置的有效利用率，降低制冷系统的装机容量。

相邻的两个椭圆管3通过连接管6连通使得载冷流体在椭圆管3外产生绕流，椭圆管3对管外绕流而言将脱体绕流点延迟，可减小管外压降；对管内流动而言，椭圆管3的管道当量直径减小，对换热是有利的；相对于圆管，椭圆管3更容易实现紧凑布置，使整个换热器整体体积减小，从而减小了占地面积，或者将椭圆管3的管间距减小使得同样的空间可以布置更多的换热管，进而提升换热效果。由于椭圆管3形状特点，空气侧阻力小，流体间的换热系数增大，管内热阻比较小，增加了管内流体的换热量；椭圆管3的换热面积大于同等截面积的圆管，这是因为同等的横截面积下，椭圆管3的传热周边比较长；椭圆管3的强度高，基管冬季不宜冻裂，使用寿命长；由于椭圆管3可以更紧凑的布置，前排管对后排的影响比较大，可以通过增大后排管的肋片4间距，减小管外流阻，但是管排数不宜过大。

使用时，打开端盖，向壳体1内填充相变蓄冷介质，再盖好壳体1两端的端盖，向椭圆管3内通入一定流速的载冷流体，当具有一定流速的载冷流体流经周围填充有相变蓄冷介质的椭圆管3时，由于温差会与相变蓄冷介质发生对流换热的物理现象，载冷流体被压缩，放出热量，压力升高，流速加快，强化换热效果；而相变蓄冷介质温度降低，发生相变，相变蓄冷介质发生相变潜热，将载冷流体的释放的冷能储存起来，从而实现储蓄冷能的技术，即将载冷流体的冷能，通过相变而储存在多管束蓄冷相变材料装置当中。同时，还可根据实际需求调整载冷流体的流速，使其达到最优的蓄冷效果。

具体地，椭圆管3的轴向方向与壳体1的轴向方向一致。各肋片4与椭圆管3连接的侧边均与壳体1的中心轴线平行。在椭圆管3的横截面上多个肋片4相对于椭圆管3的横截面的长轴对称分布。

壳体1外覆盖有保温层5，采用保温层5是的作用是与外界的环境隔离开来，减少外界环境对装置的影响。因为装置工作温度低于环境温度，因此关键在于防止热量的传入，有三个档次的隔热材料可以选用。一般性的隔热材料有在大气压下工作的酥松纤维或泡沫多孔材料，如聚苯乙烯泡沫塑料(工作温度为-75～80℃，λ＝0.03～0.048w/(m·k))、硬质聚氨酯泡沫塑料(工作温度为-60～120℃，λ＝0.026～0.042w/(m·k))；效果更好的有抽真空至10pa的粉末颗粒绝热材料；效果最佳的是多层真空隔热材料。该保温层5的隔热层应当采用导热系数尽可能小的材料作为分隔物，例如玻璃布、铝箔之类的材料。

具体地，分隔板2的长度与壳体1的长度相同。各分隔板2的第二侧边交汇于壳体1的中心轴线处。任意两个相邻的分隔板2的夹角相同。

于本具体实施例中，分隔板2设置为四个，形成十字型分隔板，十字型分隔板将壳体1分为四个独立的换热区域，每个区域形成单独的系统。因各区域换热温度不同，因此必须削弱不同区域的对流换热和辐射传热为了说明分隔板2的工作原理，我们来分析在两平行板一、二之间插入一块金属薄板三所引起的辐射热变化。假设平行板一、二和金属薄板三都是灰体，并且α1＝α2＝ε(平行板一的辐射吸收率＝平行板二的辐射吸收率＝金属薄板三的发射率)，平行板一的面积为a1，平行板一的发射率ε1，平行板二的发射率ε2，eb1为平行板一的辐射能，eb2为平行板二的辐射能。

得：q1，3＝εs(eb1-eb2)(2)

q3，2＝εs(eb3-eb2)(3)

式中q1，3和q3，2分别为平行板一对金属薄板三和金属薄板三对平行板二的辐射传热热流的密度。平行板一、金属薄板三及金属薄板三、平行板二这两个系统的系统发射率相同，都是：

在热稳态条件下，q1，3＝q3，2＝q1，2。将q1，3和q3，2相加得

与未加金属薄板三时的辐射传热相比较，其辐射传热量减小了一半。可见，其隔热效果明显，能充分的起到隔热的效果。

本实施例中的椭圆弯管蓄冷相变材料装置一共分为上下两部分，上下两部分结构对称。在此，仅介绍上半部分，该上部分主要由一根椭圆管3从装置的进口上四分之一进入，在装置出口处经连接管6连接从而180度弯曲后，返回与另一椭圆管3连接，继续换热。

为了增加椭圆管3的换热效果，在椭圆管3上有六组肋片4，肋片4为整体式肋片，由牛顿冷却公式，流体被冷却时：

q＝h(tf-tw)(a)

式中，tw和tf分别为壁面温度和流体温度，℃。如果把温差(亦称温压)记为δt，并约定永远取正值，则牛顿冷却公式可以表示为；

q＝hδt(b)

式中，比例系数h称为表面传热系数(表面传热系数以前又被常称为对流换热技术)单位是(w/m²·k)。

通过该公式可以知道，要增加对流换热可以增加温差、增加表面传热技术以及增加换热面积三种方法。因此，该装置采用肋片4，就能够有效的增加换热面积。通过该肋片4的导热就是在肋片4伸展的方向上有表面的对流传热及辐射传热，因而肋片4中沿导热热流传递的方向上热流量是不断变化的。拿一个肋片4来进行分析，肋片4与椭圆管3交界处的温度t0已知，假设t0大于周围流体温度t∞。且该肋片4与周围环境之间有热交换，并已知包括对流换热及辐射传热在内的表面传热系数h，现在确定肋片4的温度分布及通过该肋片4的散热量。

已知肋片4的材料导热系数λ、表面传热系数h以及沿着肋片4高的横截面积ac均各自为常数，肋片4温度在长度方向不发生变化，因此可取一个单位长度来分析；表面上的换热热阻远远大于肋片4中的导热热阻因而认为在任意一个截面上肋片4的温度可以认为是均匀的；肋片4的顶端可以看做为绝热，即在肋片4的顶端经过上面的简化，我们所研究的肋片4就变成了一维导热的问题，首先对肋片4的温度场进行描写：

通过简化的：

下一步，需要确定源项的表达式，在进行计算时，肋片4的两个侧面并不是计算区域的边界，但是通过该边界依然有热量的传递，因此，可以把通过边界交换的热量折成整个界面的体积源项。取长度为dx的微元来分析，假设参与换热的整个面积为ac，周长为p，则该表面的散热量为：

由于肋片4向周围散热，相当于负的源项，因而取负号，将式(f)带入(e)可以得到：

相应的两个边界条件为：

式(g)、(h)就完成了整个温度场的数学描写。

接下来进行分析求解，式(g)是关于温度的二阶非齐次微分方程，为了便于求解，引入过余温度θ＝t-t0，可得到关于过余温度的齐次方程，便有：

其中为一个常量。

式子(i)为一个二阶线性齐次常数微分方程，其通解为：

θ＝c1e^mx+c2e^-mx(k)

式子中c1、c2由两个边界条件又(j)确定，即：

c1+c2＝θ0，c1me^mh-c2me^-mh＝0(1)

最后可以得到肋片4中的温度分布：

令x＝h，即可以从上面的式子得出肋片4端出温度的计算式。因cosh0＝1，所以：

由肋片4散入外界的全部热量都必须通过x＝0处的肋片4的截面。将式(m)的θ带入傅里叶定律的表达式，即可得到此热流量为：

其中，双曲线函数cosh(mh)和tanh(mh)的数值可以从数值手册中查到。通过上述方法，便可知道肋片4的换热效果和传递的热量。在通过：

便可以简单计算出该肋片4的效率。

对于椭圆管3的对流产热问题，先假设该流体不可压缩、常物性、无内热源，下面进行较为完整的数学描写，主要又三个微分方程组，即质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

其中fx、fy是体积力在x，y方向的分量，这些方程都是描写黏性流体流动的控制方程，对于不可压缩流体的层流及湍流流动都适用。

在椭圆管3的内部，存在尖峰固体表面和凹凸点，该方法可以增加换热的效果。在椭圆管3在弯曲部分，经过180度进入另外四分之一部分时，可以改变管内流体的流动状态，增加换热效果，并且会产生二次环流，二次环流也可强化换热，最后使载冷流体和蓄冷介质充分换热。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。