一种梯级相变蓄热装置

本发明属于相变储能，尤其涉及一种梯级相变蓄热装置。

背景技术：

1、随着全球能源危机的加剧，节能成为了迫切的需求。建筑行业作为能耗大户，占全球总能耗的约40%，因此，建筑节能成为了研究的重点领域。相变储热技术作为一种高效、环保的能源储存和利用方式，在建筑节能方面具有重要的应用价值，相变储热技术能够将热能储存于相变材料中，通过材料的相变吸收或释放热量，实现能量的长期储存和调节。这种技术可以有效地解决能源供应与需求不匹配的问题，提高能源利用效率和系统稳定性，实现建筑能源的高效利用和节能减排。因此，开展相变储热技术研究对于推动节能技术的发展和实现能源的可持续发展具有重要的意义。

2、梯级相变蓄热是提高相变蓄热装置换热速率的有效手段之一。梯级相变传热技术按照“温度对口，梯级利用”的原则，将相变温度不同的相变材料在吸/放热过程中按相变温度降/升序的方式进行排布。与单级相变蓄热相比，梯级相变蓄热使放热流体的温度沿流动方向减少，而相变蓄热材料的熔点温度也在阶梯降低，两者始终保证相对恒定的温度差，以提高整体的储/放热效率。

3、现有的梯级相变储热装置包括板式蓄热器、翅片管式蓄热器和填充床蓄热器等。其中，板式蓄热器和填充床蓄热器的制造工艺复杂，造价高，不利于广泛推广。翅片管式储热器作为相变储热系统的一种常用形式，其结构简单且加工方便，具有可观的应用前景。然而，翅片管式储热器常规通常采用的纵向直翅片或环形翅片，相变材料的熔化过程主要通过翅片导热和液相相变材料自然对流实现的。对于纵向翅片管，翅片表面会形成较厚的流动边界层，严重抑制了翅片的导热和自然对流性能，而且蓄热装置内相邻翅片管的相互影响十分微弱，导致相变蓄热装置的利用效率不高。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种梯级相变蓄热装置，实现蓄热装置内各区域相变材料的快速均匀熔化和储热效率的显著提升。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种梯级相变蓄热装置，包括主体，设置于主体上部的进口以及设置于主体下部的出口，所述主体包括壳体，设置于壳体内的翅片管以及位于壳体内部翅片管外的相变材料，所述壳体内从上到下依次设有水平状的分层隔板一、分层隔板二、分层隔板三和分层隔板四，分层隔板一、分层隔板二、分层隔板三和分层隔板四上均设有多个均匀分布的开孔，翅片管插设于开孔内；分层隔板一与壳体顶部之间区域为进口集箱且进口位于进口集箱上，分层隔板一和分层隔板二之间设有上层翅片管组，分层隔板二和分层隔板三之间设有中层翅片管组，分层隔板三和分层隔板四之间设有下层翅片管组，分层隔板四与壳体底部之间区域为出口集箱且出口位于出口集箱上；上层翅片管组、中层翅片管组和下层翅片管组均由多个平行设置的翅片管组成，且同层翅片管组的相邻的三个翅片管之间呈正三角形分布，上层翅片管组、中层翅片管组和下层翅片管组中的同一竖直方向的翅片管之间同轴设置且相互联通，上层翅片管外设有高温相变材料，中层翅片管外设有中温相变材料，下层翅片管外设有低温相变材料，所述翅片管上的翅片为双向交错排列。

4、进一步的，每个翅片管包括位于中心的圆形基管和焊接于基管表面的多个翅片，每个翅片包括连接于基管外表面沿着长度方向延伸的主翅片以及连接于主翅片顶部的分支翅片组，所述分支翅片组包括分支翅片一组和分支翅片二组，分支翅片一组包括多个分支翅片一，分支翅片二组包括多个分支翅片二，分支翅片一和分支翅片二高度宽度均相同，每个分支翅片一和分支翅片二相邻且弯折方向相反，且每个主翅片顶部的分支翅片一和分支翅片二依次交替出现；多个翅片在基管外周呈辐射状均匀排布于蓄热腔室内。

5、进一步的，所述翅片管基管外周相邻翅片呈对称设置。

6、进一步的，所述翅片管外围周向上翅片数量不少于4个。

7、进一步的，所述翅片管在圆周方向上的翅片数量在壳体的上部、中部和下部区域内可调节，具体的上层翅片管外翅片数量小于中层翅片管外翅片数量，中层翅片管外翅片数量小于下层翅片管外翅片数量。

8、进一步的，所述翅片管材料为钢或铝合金或者铜；所述相变材料为水合盐类或石蜡或脂肪酸类相变材料。

9、本发明具有的优点是：

10、1. 本发明双向交错翅片抑制了流动边界层在翅片表面的生长，强化了各个离散区域内相变材料的自然对流过程，提高了翅片传热效率和储热速率，本发明相对于矩形布置的直翅片相变储热装置，其相变材料的完全熔化与凝固时间分别缩短了56.02%和72.85%；

11、2. 本发明双向交错翅片管与蜂巢布置的结合，显著改善了相变储热装置内温度的均匀性，本发明相对于矩形布置的直翅片相变储热装置，其熔化过程液相分数均匀性指数由0.2858提升至0.898，凝固过程液相分数均匀性指数由0.5679提升至0.9879，均匀性显著提升；

12、3. 本发明的梯级相变储热装置采用新型翅片管和三级相变材料，可以在较小体积内储存大量的热能，还可以调节不同区域内翅片的数量进一步提升储热效率；

13、4. 本发明的双向交错翅片管以及梯级相变储热装置，可以通过切割、折弯工序快速得到，易于实现自动化生产，易于实现批量生产，与工业生产联系紧密，具有极强的工业应用价值，进一步拓宽了其在化工、建筑等行业废水余热回收方面的应用。

技术特征：

1.一种梯级相变蓄热装置，包括主体，设置于主体上部的进口以及设置于主体下部的出口，所述主体包括壳体，设置于壳体内的翅片管以及位于壳体内部翅片管外的相变材料，其特征在于：所述壳体内从上到下依次设有水平状的分层隔板一、分层隔板二、分层隔板三和分层隔板四，分层隔板一、分层隔板二、分层隔板三和分层隔板四上均设有多个均匀分布的开孔，翅片管插设于开孔内；分层隔板一与壳体顶部之间区域为进口集箱且进口位于进口集箱上，分层隔板一和分层隔板二之间设有上层翅片管组，分层隔板二和分层隔板三之间设有中层翅片管组，分层隔板三和分层隔板四之间设有下层翅片管组，分层隔板四与壳体底部之间区域为出口集箱且出口位于出口集箱上；上层翅片管组、中层翅片管组和下层翅片管组均由多个平行设置的翅片管组成，且同层翅片管组的相邻的三个翅片管之间呈正三角形分布，上层翅片管组、中层翅片管组和下层翅片管组中的同一竖直方向的翅片管之间同轴设置且相互联通，上层翅片管外设有高温相变材料，中层翅片管外设有中温相变材料，下层翅片管外设有低温相变材料，所述翅片管上的翅片为双向交错排列。

2.如权利要求1所述的梯级相变蓄热装置，其特征在于：每个翅片管包括位于中心的圆形基管和焊接于基管表面的多个翅片，每个翅片包括连接于基管外表面沿着长度方向延伸的主翅片以及连接于主翅片顶部的分支翅片组，所述分支翅片组包括分支翅片一组和分支翅片二组，分支翅片一组包括多个分支翅片一，分支翅片二组包括多个分支翅片二，分支翅片一和分支翅片二高度宽度均相同，每个分支翅片一和分支翅片二相邻且弯折方向相反，且每个主翅片顶部的分支翅片一和分支翅片二依次交替出现；多个翅片在基管外周呈辐射状均匀排布于蓄热腔室内。

3.如权利要求2所述的梯级相变蓄热装置，其特征在于：所述翅片管基管外周相邻翅片呈对称设置。

4.如权利要求3所述的梯级相变蓄热装置，其特征在于：所述翅片管外围周向上翅片数量不少于4个。

5.如权利要求4所述的梯级相变蓄热装置，其特征在于：上层翅片管外翅片数量小于中层翅片管外翅片数量，中层翅片管外翅片数量小于下层翅片管外翅片数量。

6.如权利要求5所述的梯级相变蓄热装置，其特征在于：所述翅片管材料为钢或铝合金或者铜；所述相变材料为水合盐类或石蜡或脂肪酸类相变材料。

技术总结
本发明属于相变储能技术领域，尤其涉及一种梯级相变蓄热装置，包括进口、出口和蓄热装置主体；所述蓄热装置主体由壳体、多个翅片管和相变材料组成；所述翅片管包括圆形基管和双向交错翅片；所述蓄热装置内设置分层隔板，将相变材料填充区域按照高度的高低分为：上部区域，中部区域和下部区域。由于热流体从蓄热装置上部流入，与相变材料换热后从下部出口流出，故在上部区域填充高温相变材料，在中部区域填充中温相变材料，在下部区域填充低温相变材料。热流体自上而下流经蓄热装置时，与不同区域内相变材料始终保持相对稳定的温差，可以在较小的体积内储存大量的热能，从而提高储热系统的热效率。

技术研发人员：汤松臻,刘品味,宋玉玲,周俊杰,徐严严,张东伟
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/6