热超导相变储能换热器的制作方法

本发明涉及一种新型热超导相变储能散热装置，属于新型能源、节能环保领域，用于多种品位热能的储存和再利用。

技术背景

近年来，可再生能源（太阳能、风能、地热能、生物质能等）利用、废热余热回收利用等越来越受到世界各国的重视和推广，但是这些能源技术的应用特点，迫切需要开发设计高效率、低成本的储能装置，用来调整热能供应与用户端之间的不一致，热能的贮存及释放是极为关键的环节。

由于太阳能、风能、生物质能等可再生新能源固有的不稳定性或不连续性，其规模化发展势必会对整个系统的安全运行带来显著影响，所以必须有储能技术作为支撑。储能技术可以实现能源的平稳输出，很大程度上缓解了新能源应用过程的波动性和随机性的问题。

储能技术中，早期利用相变材料(Phase Change Materials, PCM) 进行储热，PCM在溶化过程中以潜热的形式吸收和储存热能，能够在热源的热量有效散发到周围空气之前将其及时移除和储存。从这个意义上来说，PCM充当了能量缓冲区的角色。但因其导热性较差的原因，其发展受到限制。利用热超管传输能量和填充金属丝网或高孔隙率金属泡沫相变储能材料为储能介质，具有吸收能量容量大、热传导性能好等优点，是一种发展潜力较大的储能技术。基于上述特性，这种结合热超导技术和高性能储能材料的能源管理技术，非常适用于广泛存在的具有周期性或脉冲性特点的能源利用系统。

实现低级不稳定热源的有效利用，主要问题为热源的输入和输出控制，热源出现质或量的周期性波动或不稳定运行时产生过多或过少热量，过多的热量将导致用户（热阱）温度过高（过低），进而影响系统运行的可靠性和安全性，有效消除波动热源过剩或亏缺热量和用户端（热阱）需求的变化是一项非常重要而有意义的工作。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有热容大、储热速率快、可逆性强、使用寿命长、环境稳定性好的热超导相变储能换热器。

技术解决方案：

本发明包括：热超导管、储能材料容器，保温外壳，所述保温外壳中部设有中心孔，所述热超导管包括；吸热翅片组、相变材料容器和散热翅片组，散热翅片组焊接于热超导管的上端；储能材料容器置于保温外壳内，并沿中心孔焊接于热超导管中部，与热超导管之间形成密闭空间；吸热翅片组焊接于热超导管的下端；相变材料容器腔体间设置金属丝网或大孔径泡沫金属，保温外壳上下顶盖分别设置充装管，用于充入相变储能材料和放出更换储能材料。

所述热超导管由内壁设有毛细结构的封闭金属管，及在真空状态下充入一定量的工作流体制成，热量从高温端到低温端的传递依靠充入的工作流体的蒸发和冷凝来实现，工作流体依靠毛细结构产生的毛细力来传输。

本发明主要具有以下特点：

1．本发明为储能与换热单元，根据应用领域需要，任意组合储能换热单元数，集成气-气、气-液、液-液加热或冷却装置；

2．相变储能材料，成本低廉，可靠性好，无毒无污染，环境友好，使用温度范围宽，可以组合不同温度的相变材料，平衡热源温度大幅波动；

3．适合于间歇式或波动热源，既能调节温度，也能调节能量输出；

4．储能速度快，效率高，容量大；

5．相变储能材料和热超导装置，温度适用范围广，可在30℃-150 ℃范围内使用，可广泛应用于低温余热回收、太阳能采暖、低温太阳能热发电、设施农业加温等领域；

6、装置可以双向传热和储热，当高温热源变为低温时，储能单元也可以向热源端输出热量，可用于恒温环境要求应用。

发明的创新点

1、吸热-储热-散热一体单元：本发明装置利用热超导管的特性，巧妙设计能量吸收、相变储能和散热三段为一体，形成一个整体的超导换热储能装置。热超导管贯穿于装置的吸热段、储热段和散热段，通过相变储能材料调节使用温度和热流量，实现过程中不稳定热源吸收到均匀稳定输出。

2、能量利用效率高：热超导管的超低热阻，使得垂直方向热传导效率极高，温差损失很小；轴向热超导管结合径向金属丝网强化传热，能量储存和释放损失非常小，装置整体能量利用效率很高。

3、纵向热超导性：开发的热超导管有效导热系数达5000-20000 W/m·K，任何材料无法达到。

4、超级储能材料：相变储能材料，储能量大，热超导管与金属丝网组合，弥补该类材料导热系数小的缺点，整个储能单元温度场均匀分布，热量储存和释放速率快。

5、低温适用性：开发的热超导管与相变材料组合，最佳相变材料温度30℃-250 ℃之间，非常适合于低温热源的再利用。

6、散热速率可控：根据应用场合对加热温度和速率的要求，储能过程可以将不稳定热源所产生的热量有效地吸收和储存，完全可以控制装置的散热速率及输出温度。

附图说明

图1为本发明装置示意图；

图2 为图1的剖面图；

图3 为图1的一种实施方式图；

图4 为图3的剖面图；

图5 为图1的第二种实施方式图；

图6 为图5的剖面图；

图7 为图1的第三种实施方式图；

图8 为图7的剖面图。

具体实施方式：

热超导相变储能换热器包括热超导管1、散热翅片组2、金属外壳容器3、相变储能材料4、金属丝网5、吸热翅片组10以储能材料容器3外的保温外壳9。以潜热较高的固-液相变材料作为储能材料，具有使用温度范围广、储热能力大、使用寿命长、成本低、无毒无害无污染、释放能量密度大且可控制热量储放等特点。

热超导管1沿中心贯穿于散热翅片组2、相变材料容器3和吸热翅片组10。散热翅片组2焊接于热超导管1的上端；储能材料容器3沿中心孔焊接于热超导管1中部，与热超导管1之间形成密闭空间；吸热翅片组10焊接于热超导管1的下端。相变材料容器3腔体间设置金属丝网5（或大孔径泡沫金属）强化传热元件，储能材料容器3上的保温外壳9上、下顶盖分别设置充装管11，用于充入相变储能材料4和放出更换储能材料。

热超导管1是由内壁设有毛细结构6的封闭金属管，在真空状态下充入一定量的液体工质7而制成。热量从高温端到低温端的传递依靠充入的液体工质7的蒸发和冷凝来实现，液相工质7依靠毛细结构产生的毛细力来传输。装置具有将热量从高温到低温双向传递的特点。

热超导相变储能换热器吸热端和散热端，根据应用领域不同，可以设计成光滑管面，也可以焊接翅片组，增加传热面积和强化传热。

热超导相变储能换热器的工作原理是：当不稳定热源流经热超导管1下部的吸热段时，管外翅片组10吸收热量传导给热超导管1中的液体工质7蒸发成为气相工质8，在气相通道内流向储能单元热管段和散热端，部分能量储存于相变储能材料4中，部分在散热端2用于加热流经气体或液体。在储能单元热管段和散热端冷凝的液体在热管内毛细力的作用下，返回加热段。

当热源的能量大于散热端输出能量，多余部分通过热超导管传输给相变储能材料，储存起来；当热源的能量小于散热端输出能量，不足部分通过热超导管由相变储能材料输出到散热端，实现能量平衡调节使用。

热超导管1将热量传输给与之接触的相变储能材料4，均匀设置于储能材料中的金属丝网5或大孔隙率金属泡沫大大增强热流在材料中的传导速率，弥补相变储能材料导热系数小的缺点，整个储能单元内温度场均匀分布，能量储存大，超导速率，储存和释放速率快。储能单元的储能量主要由相变材料的相变潜热决定。

当发明装置的散热端设定控制温度,而加热段热源温度波动不稳定，固体储能装置自动平衡温度和能量输出与输入。当加热段温度过高时，热量将快速存储于相变储能材料中，为散热端提供过热保护作用；当加热段温度变低或热量供给不足时，相变储能材料向散热端输出热量，使其温度和热流波动控制在一定范围，平衡输入和输出的变化。

本发明针对工业加工过程余热、可再生能源（太阳能、风能、地热能等）、生物质能源、空气能等用于低温发电、物料烘干干燥、锅炉、采暖供热等存在的温度和热流量随时间变化而产生的不连续性和不稳定性，开发设计热超导相变储能换热装置。该发明整合热超导传热和大容量相变材料技术，实现快速存储和释放以及超大容量存储，提高可再生能源和余热的利用效率和平衡使用。

装置设计（用于太阳能中高温干燥的热超导相变储能换热器）：

储能器外形尺寸：φ200x400mm，主要壳体材料：AL6063；外加高性能保温材料；

储能材料：BT-XBL70石蜡相变储能型材；

热超导管：φ20x2300mm，主要材料：C1100或AL6063，其中：

加热段尺寸：φ20x240mm，翅片：30-φ70mm；

集热段尺寸：φ20x1660mm，裸管无翅片；

技术性能参数：

装置总储能量：2.5-5.0GJ

热源温度：50-150 ℃

纵向导热系数：5000-20000 W/m·K

储热性能衰减：0%；

使用温度范围：35-120 ℃；

加热速率：200~1000W@空气/单体传热单元。

2# 装置设计（用于间断性余热回收加热流体的储能加热器）：

储能器外形尺寸：φ150x400mm，主要壳体材料：SUS304；外加高性能保温材料；

储能材料：BT-XBY150结晶水盐类；

热超导管：φ25x1600mm，主要材料：SUS316L，其中：

散热段尺寸：φ25x200mm，无翅片；

吸热段尺寸：φ25x1000mm，翅片：100- φ50mm；

技术性能参数：

装置总储能量：6.0GJ

热源温度：100-350 ℃

纵向导热系数：5000-20000 W/m K

储热性能衰减：0%；

使用温度范围：80-300 ℃；

加热速率：600~5000W@水/储热换热单元。