新型模块化相变蓄热器及相变蓄热器组

1.本发明涉及储能蓄热技术领域，具体涉及一种新型模块化的相变蓄热器及 相变蓄热器组。


背景技术：

2.太阳能作为一种易获取的可再生清洁能源，受到广泛关注，但其间歇性、 随机性的特点，导致能量利用效率较低。此外，工业过程中也存在大量余热、 废热亟需利用。因此，将太阳能、工业余热与蓄热技术相结合，可以有效实现 能量回收及合理分配，解决能量供需在时空上的不匹配问题，提高能源利用率。
3.在蓄热系统中，相变蓄热器是实现能量存储与传递的核心部件，依靠内部 相变材料固液相变的潜热作用，实现能量的存储与释放，相变蓄热单元通常由 相变材料封装和传热流体管道两部分组成。受自然对流效应影响，现有技术的 相变蓄热器普遍存在相变“死区”问题，蓄热时，在浮升力驱动下蓄热器顶部 相变材料融化较快，而后期底部相变材料熔化速率极慢，形成底部熔化“死区”； 放热时，相变材料温度降低而凝固，密度增大并下沉，顶部相变材料往往难以 凝固，形成顶部凝固“死区”。因此，优化相变蓄热器结构，改善蓄热器相变
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死区”的蓄放热性能，对能量的高效存储与释放具有重要意义。
4.专利文献cn107062972a公开了一种扁管式相变蓄热器，主要包括扁管组件、 箱体、相变材料和蓄放热环路；扁管组件为两平板换热面平行密封成空腔结构， 分割成多个密封空腔并填充有相变材料，平板换热外表面设有翅片，翅片之间 形成气体通道，增加了空气侧换热面积，提高了相变蓄放热的速率和效率。但 该蓄热器主要适用于气体介质，且相变材料内部无强化翅片结构易导致蓄放热 不均匀；同时，蓄热箱内相变材料采用组件插入式设计，与翅片管插入式相比， 相变材料填充量少、蓄热量小。
5.专利文献cn206094972u公开了一种壳管式相变蓄热器，主要包括冷、热流 体储蓄箱体、蓄热箱体和换热翅片管束，冷、热流体储蓄箱体分别位于蓄热箱 体的上方和下方，蓄热箱体内布置有换热翅片管束，其间填充相变材料。蓄热 器利用翅片管强化和冷、热流体储蓄箱体的冷却和加热作用，改善了蓄热器内 部温度分层和局部过热现象。但蓄热器内部换热管束缺少均匀分流装置，难以 保证平行管束内流动均匀，从而引起蓄热器相变过程不均、存在死区；同时， 蓄热器蓄放热过程流体与相变材料对流换热均为顺流布置，换热温差较小，蓄 热能力受到限制。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种新型模块化相变蓄热器。 本发明将集箱与蓄热器箱体集成为一体，替代传统的外置式集箱，使蓄热器箱 体外形更加简洁、规整，有利于模块化安装应用，同时结构更加紧凑，可降低 蓄热器保温成本及散热损失，提高蓄热能效。
7.本发明还提供一种相变蓄热器组。
8.本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
9.一种新型模块化相变蓄热器，包括蓄热器箱体、相变材料、换热管，所述 相变材料封装于蓄热器箱体内部，所述蓄热器箱体采用由箱壁组成的密封框架 结构，所述蓄热器箱体左侧设置有蓄热供液入口和放热回液出口，右侧设置有 蓄热回液出口和放热供液入口，多根所述换热管置于相变材料中；所述蓄热器 箱体上部设有一体化的顶部集箱，蓄热器箱体下部设有一体化的底部集箱，所 述顶部集箱与相变材料之间设有顶部预冷夹层，底部集箱与相变材料之间设有 底部预热夹层，蓄热供液入口与底部预热夹层相连通，蓄热回液出口与底部集 箱相连通，放热供液入口与顶部预冷夹层相连通，放热回液出口与顶部集箱相 连通。
10.所述箱壁包括相连接的箱体前壁、箱体后壁、箱体左壁、箱体右壁、箱体 底板、箱体顶板，所述箱壁均采用中间设有隔热保温夹层结构。
11.所述相变材料与底部预热夹层之间通过传热性能优良的下部的导热孔板相 隔，相变材料与顶部预冷夹层之间通过传热性能优良的顶部的导热孔板相隔， 所述相变材料封装于箱体前壁、箱体后壁、相变材料左壁面、相变材料右壁面、 下部的导热孔板、顶部的导热孔板围成的空间，相变材料左壁面、相变材料右 壁面均采用导热性能优良的金属板材结构，导热孔板上的开孔位置与换热管位 置一一对应，换热管从对应的孔中穿过，换热管与导热孔板接触处焊接密封。
12.所述底部预热夹层与底部集箱、顶部预冷夹层与顶部集箱之间均通过绝热 孔板隔开，绝热孔板上的开孔位置与换热管位置一一对应，换热管通过绝热孔 板分别与顶部集箱和底部集箱相连通，换热管与绝热孔板接触处进行焊接密封。
13.所述的箱体左壁、箱体右壁与相变材料之间均设置有夹层流道，夹层流道 包括左侧夹层流道、右侧夹层流道，左侧夹层流道为箱体前壁、箱体后壁、箱 体左壁以及相变材料左壁面构建的空间，右侧夹层流道为箱体前壁、箱体后壁、 箱体右壁以及相变材料右壁面构建的空间，右侧夹层流道与底部预热夹层和顶 部集箱相连通，左侧夹层流道与顶部预冷夹层和底部集箱相连通。
14.所述顶部集箱与箱体夹层流道之间设有单向流通装置。
15.所述底部集箱和顶部集箱内布置有均流孔板，均流孔板分别与箱体前壁、 箱体后壁连接固定。
16.所述换热管采用垂直安装，通过顺排或叉排方式布置于相变材料中，所述 换热管上安装换热翅片，换热翅片在换热管上呈均匀或非均匀布置。
17.所述蓄热器箱体的长度、高度、宽度均为0.5～50m，换热管根数为2～500 根，直径d为1～50mm。
18.一种相变蓄热器组，包括不少于两组的模块化相变蓄热器，所述模块化相 变蓄热器采用上述所述的新型模块化相变蓄热器，各组所述的模块化相变蓄热 器通过串联连接形成模块化相变蓄热器并联系统；
19.或者各组所述的模块化相变蓄热器通过并联连接形成模块化相变蓄热器并 联系统。
20.本发明的有益效果是：
21.1.本发明提出的新型模块化相变蓄热器，将在热流体集箱与蓄热器箱体集 成为
一体，替代传统的外置式集箱，使蓄热器箱体外形更加简洁、规整，有利 于模块化安装应用，同时结构更加紧凑，可降低蓄热器散热损失和保温成本， 提高蓄热器能效。
22.2.本发明提出的新型模块化相变蓄热器，相变材料封装于蓄热器箱体内部， 蓄热时，热流体首先进入底部集箱与相变材料之间的底部预热夹层，热流体通 过具有优良传热性能的导热孔板对底部的相变材料进行直接加热；而放热时， 冷流体首先进入顶部集箱与相变材料之间的顶部预冷夹层，通过导热孔板对顶 部的相变材料进行冷却，如此设置，增大了流体与相变材料之间的换热面积， 强化了顶部、底部相变材料凝固、熔化时的自然对流效应，缩短了熔化和凝固 的时间，改善了顶部、底部相变“死区”的蓄放热特性。
23.3.蓄热器箱体左右两侧壁与相变材料之间设置了夹层流道，蓄热时，热流 体通过夹层流道从底部预热夹层流入顶部集箱，再通过换热管向下流动进入底 部集箱，放热时，冷流体通过夹层流道从顶部预冷夹层流入底部集箱，再通过 换热管向上流动进入顶部集箱，如此采用逆流设计，可保证流体流动方向与相 变材料自然对流运动方向相反，增大了蓄放热过程流体与相变材料的换热温差， 提高相变蓄热器的蓄放热效率。
24.4.由于底部预热夹层与底部集箱、顶部预冷夹层与顶部集箱之间设有绝热 孔板进行隔热，可避免夹层和集箱内换热前后的冷、热流体之间产生热交换， 能够提高蓄热器效率。
25.5.通过顶部集箱和底部集箱内设有均流孔板，可以保证流体分流入各个换 热管的流量更加均匀，使箱体内不同位置相变材料的蓄放热过程温度分布更加 均匀，进一步改善相变“死区”的影响。
26.6.顶部集箱与夹层流道之间设有单向流通装置，可防止放热流体回流，提 高蓄热器放热效率。
27.7.换热管上安装有换热翅片，增大了换热面积，强化了流体与相变材料之 间的换热。
28.8.本发明的不少于两组的模块化相变蓄热器通过串联连接形成模块化相变 蓄热器并联系统；优点在于，可根据相变材料和载热流体的温度区间，进行能 量逐级存储，便于蓄放热过程的梯级利用，例如，温度130℃的工业余废蒸汽进 入第一级相变蓄热器，蓄热后变为80℃的热水进入第二级蓄热器，蓄热后变为 50℃的热水进入第三级蓄热器完成蓄热，放热时，第一级蓄热器温度最高，可 产生110℃的蒸汽用于工业烘干、发电、消毒等，第二级蓄热器可产生70℃的 热水用于居民供暖，第三级蓄热器可产生40℃的热水用于生活洗浴等，实现蓄 热的梯级利用。
29.9.发明的不少于两组的模块化相变蓄热器通过并联连接形成模块化相变蓄 热器并联系统。该并联系统的优点在于，可根据储能蓄热生产规模的需要，进 行便捷扩容。本发明的相变蓄热器为长方形，外形规整，结构紧凑，接口简单， 当储热容量需要增加时，可在不影响原蓄热系统的基础上，进行模块化并联装 配，实现快速扩容。
附图说明
30.图1是本发明的新型模块化相变蓄热器的结构示意图；
31.图2是本发明的新型模块化相变蓄热器换热管顺排布置示意图；
32.图3是本发明的新型模块化相变蓄热器换热管叉排布置示意图；
33.图4是本发明的新型模块化相变蓄热器蓄热过程流体流动示意图；
34.图5是本发明的新型模块化相变蓄热器的放热过程流体流动示意图；
35.图6是本发明的新型模块化相变蓄热器模块化串联运行示意图；
36.图7是本发明的新型模块化相变蓄热器模块化并联运行示意图。
37.图中，1.蓄热回液出口，2.绝热孔板，3.导热孔板，4.蓄热器箱体，5.隔 热保温夹层，6.相变材料，7.换热翅片，8.换热管，9.蓄热供液入口，10.单向 流通装置，11.均流孔板，12.放热回液出口，13.夹层流道，14.蓄热供液入口， 15.底部预热夹层，16.顶部预冷夹层，17.顶部集箱，18.底部集箱，d.换热管 直径，s1.翅片管横向间距，s2.翅片管纵向间距。
具体实施方式
38.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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。
39.实施例1
40.如图1-5所示，一种新型模块化相变蓄热器，包括蓄热器箱体4、相变材料 6、换热管8，所述相变材料6封装于蓄热器箱体4内部，多根所述换热管8置 于相变材料6中，所述蓄热器箱体4采用由箱壁组成的密封框架结构，所述箱 壁包括相连接的箱体前壁、箱体后壁、箱体左壁、箱体右壁、箱体底板、箱体 顶板，所述箱壁中间均设有隔热保温夹层结构5。
41.所述蓄热器箱体4上部设有一体化的顶部集箱17，蓄热器箱体下部设有一 体化的底部集箱18，所述顶部集箱17与相变材料6之间设有顶部预冷夹层16， 底部集箱18与相变材料6之间设有底部预热夹层15。蓄热器箱体4的长度、 高度、宽度均为0.5～50m。
42.所述的箱体左壁、箱体右壁与相变材料6之间均设置有夹层流道13，夹层 流道13包括左侧夹层流道、右侧夹层流道，左侧夹层流道为箱体前壁、箱体后 壁、箱体左壁以及相变材料左壁面构建的空间，右侧夹层流道为箱体前壁、箱 体后壁、箱体右壁以及相变材料右壁面构建的空间，右侧夹层流道与底部预热 夹层15和顶部集箱17相连通，左侧夹层流道与顶部预冷夹层16和底部集箱18 相连通。
43.所述蓄热器箱体4左侧设置有蓄热供液入口14和放热回液出口12，右侧设 置有蓄热回液出口1和蓄热供液入口9，蓄热供液入口14与底部预热夹层15相 连通，蓄热回液出口1与底部集箱18相连通，蓄热供液入口9与顶部预冷夹层 16相连通，放热回液出口12与顶部集箱17相连通。
44.本发明的内部相变材料6与底部预热夹层15之间通过传热性能优良的下部 的导热孔板3相隔，相变材料6与顶部预冷夹层16之间通过传热性能优良的顶 部的导热孔板3相隔，所述相变材料6封装于箱体前壁、箱体后壁、相变材料 左壁面、相变材料右壁面、下部的导热孔板、顶部的导热孔板围成的空间，相 变材料左壁面、相变材料右壁面均采用导热性能优良的金属板材结构，导热孔 板3上的开孔位置与换热管8位置一一对应，换热管8从对应的孔中穿过，换 热管与导热孔板3接触处焊接密封。通过导热孔板3，蓄热时，进入底部预热夹 层的热流体可直接对底部的相变材料进行加热，放热时，进入顶部预冷夹层的 冷流体可直接对顶部的相变材料进行冷却，强化了相变材料相变时的自然对流 效应，改善了顶部、底部相变“死区”的蓄放热特性。
45.底部预热夹层15与底部集箱18、顶部预冷夹层16与顶部集箱17之间均通 过绝热孔板2隔开，绝热孔板2上的开孔位置与换热管8位置一一对应，换热 管8通过绝热孔板2分别与顶部集箱17和底部集箱18相连通，换热管8与绝 热孔板2接触处进行焊接密封。通过绝热孔板2的隔热作用，可避免绝热孔板 两侧换热前后的冷、热流体之间产生热交换、降低蓄热器效率。
46.顶部集箱17与箱体夹层流道13之间设有单向流通装置10，单向流通装置 10防止放热流体回流，影响蓄热器放热效率。
47.所述底部集箱18和顶部集箱17内布置有均流孔板11，均流孔板11分别与 箱体前壁、箱体后壁连接固定，保证各换热管内的流量更加均匀，使箱体内不 同位置相变材料的蓄放热温度分布更加均匀。
48.如图2和图3所示，所述换热管8采用垂直安装，通过顺排或叉排方式布 置于相变材料6中。
49.所述换热管8上安装换热翅片7，换热翅片在换热管上呈均匀或非均匀布置。 换热管根数为2～500根，直径d为1～50mm，换热管横向间距s1与直径d之比 为0.1～10，纵向间距s2与直径d之比为0.1～10。
50.如图4所示，本发明的相变蓄热器，蓄热时，放热供液入口9和放热回液 出口12关闭，热流体从蓄热供液入口14进入，流入并充满底部预热夹层15， 而后经过右侧夹层流道13流入顶部集箱17，经均流孔板11分流后，均匀流入 换热管8中，热流体通过换热管8、强化换热翅片7和底部导热孔板3将热量传 递给相变材料6进行存储，释热后的流体汇入底部集箱18，经蓄热回液出口1 流出或进入下一级蓄热器的蓄热供液入口14，完成蓄热过程。
51.如图5所示，本发明的相变蓄热器，放热时，蓄热供液入口14和蓄热回液 出口1关闭，冷流体从蓄热供液入口9进入，流入并充满顶部预冷夹层16，而 后经过左侧夹层流道13流入底部集箱18，经均流孔板11分流后，均匀流入换 热管8中，冷流体通过换热管8、换热翅片7和顶部导热孔板3吸收储存于相变 材料6中的热量，吸热后的流体汇入顶部集箱17，经放热回液出口12流出或进 入下一级蓄热器的蓄热供液入口9，完成放热过程。
52.本发明依据自然对流特性，在蓄热过程中，采用底部预热夹层对底部相变 材料进行加热，在放热过程中，采用顶部预冷夹层对顶部相变材料进行冷却， 从而改善相变“死区”相变材料的熔化和凝固特性；蓄热时，热流体采用向下 流动，放热时，冷流体采用向上流动，与相变材料自然对流运动的方向均相反， 采用逆流设计，可增大蓄放热过程流体与相变材料之间的换热温差，提高相变 蓄热器的蓄放热效率；将集箱与蓄热器箱体集成为一体，替代传统的外置式集 箱，使蓄热器箱体外形更加简洁、规整，有利于模块化安装应用，同时结构更 加紧凑，可降低蓄热器保温成本及散热损失，提高蓄热能效；集箱中增设均流 孔板，可使各个换热管内流体流量更加均匀，从而提高相变材料蓄放热过程的 均匀性。
53.实施例2
54.如图4，图5，图6所示，一种相变蓄热器组，包括不少于两组的模块化相 变蓄热器，各组所述的模块化相变蓄热器通过串联连接形成模块化相变蓄热器 串联系统。
55.模块化相变蓄热器串联系统蓄热时，关闭系统中所有蓄热器的放热供液入 口9和放热回液出口12，图6中左侧蓄热器为串联系统第一级蓄热器，其蓄热 供液入口为串联系统入口。热流体从蓄热供液入口14流入蓄热器，进行上述图 4蓄热过程，而后经由蓄热回液
出口1流出，进入下一级蓄热器的蓄热供液入口。 放热时，关闭系统中所有蓄热器的蓄热供液入口14和蓄热回液出口1，以图6 中右侧蓄热器为串联系统第一级蓄热器，其蓄热供液入口为串联系统入口。冷 流体从放热供液入口9流入蓄热器，进行上述图5放热过程，而后经由放热回 液出口12流出，进入下一级蓄热器的放热供液入口。系统中换热器数量不局限 于图6所示，两台及两台以上即可组成串联系统。
56.该串联系统的优点在于，可根据相变材料和载热流体的温度区间，进行能 量逐级存储，便于蓄放热过程的梯级利用，例如，温度130℃的工业余废蒸汽进 入第一级相变蓄热器，蓄热后变为80℃的热水进入第二级蓄热器，蓄热后变为 50℃的热水进入第三级蓄热器完成蓄热，放热时，第一级蓄热器温度最高，可 产生110℃的蒸汽用于工业烘干、发电、消毒等，第二级蓄热器可产生70℃的 热水用于居民供暖，第三级蓄热器可产生40℃的热水用于生活洗浴等，实现蓄 热的梯级利用。
57.实施例3
58.本发明的相变蓄热器可组成并联系统模块化运行。
59.如图4，图5，图7所示，一种相变蓄热器组，包括不少于两组的模块化相 变蓄热器，各组所述的模块化相变蓄热器通过并联连接形成模块化相变蓄热器 并联系统。
60.模块化相变蓄热器并联系统蓄热时，关闭系统中所有蓄热器的放热供液入 口9和放热回液出口12。热流体在进入蓄热系统前分为三股支流分别对应三台 蓄热器，而后支流从所对应的蓄热供液入口14流入蓄热器，进行上述图4所示 蓄热过程，蓄热完成后从蓄热回液出口1流出，各支流汇流后，进行利用或者 流入下一级蓄热系统。放热时，关闭系统中所有蓄热器的蓄热供液入口14和蓄 热回液出口1，冷流体在进入系统前分为三股支流分别对应三台蓄热器，而后支 流从所对应的放热供液入口9流入蓄热器，进行上述图5所示放热过程，放热 完成后从放热回液出口12流出，各支流汇流后，进行利用或者流入下一级蓄热 系统。系统中换热器数量不局限于图7所示，两台及两台以上即可组成并联系 统。该并联系统的优点在于，可根据储能蓄热生产规模的需要，进行便捷扩容。 本发明的相变蓄热器为长方形，外形规整，结构紧凑，接口简单，当储热容量 需要增加时，可在不影响原蓄热系统的基础上，进行模块化并联装配，实现快 速扩容。
61.本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、
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顶”、“底”、“竖直”、“水平”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，仅是为了描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方 位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中的“相连”“连接
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应作广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接连接， 也可以是通过中间部件间接连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体 情况理解上述术语的具体含义。
62.以上所述为本发明的优选实施方式，具体实施例的说明仅用于更好的理解 本发明的思想。对于本技术领域的普通技术人员来说，依照本发明原理还可以 做出若干改进或者同等替换，这些改进或同等替换也视为落在本发明的保护范 围。