一种内置活动式换热器的固-液相变储热装置及使用方法与流程

本发明涉及固-液相变储热技术，具体涉及内置活动式换热器的固-液相变储热装置。

背景技术：

相变储热是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，也是常用于缓解能量供求双方在时间、强度及地点上不匹配的有效方式，在太阳能的利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用、工业与民用建筑和空调的节能等领域具有广泛的应用前景，已成为世界范围内的研究热点。

目前，固-液相变储热装置主要分两大类。一类是主要包括储热箱体和相变储热单元，相变储热单元即将相变储热材料封装于相应的容器内、排布在储热箱体里面，换热介质直接流过相变储热单元表面完成储放热的过程。如申请号为201811154458.7的专利“微胶囊复合相变储热装置”、申请号为201910218599.9的专利“一种常压相变储热装置”、申请号为201710212113.1的专利“一种基于空气换热的固-液相变储热装置”专利，这类装置不需要专门的换热器，但储热材料的封装工作量大、工艺复杂、成本高。

另一类与本发明较为类似，主要包括储热箱体和换热管路，储热箱体中填充相变材料，换热管路固定安装在储热箱体内、均匀分布在相变材料中，换热介质在管路中流动完成储放热的过程，如申请号为201220547210.9的专利“一种相变储热装置以及太阳能加热系统”、申请号为201320120050.4的专利“用于太阳能的单罐相变储热装置”、申请号为201520570336.1的专利“一种新型相变式储热装置”、申请号为201621370801.8的专利“一种新型相变式储热装置固定隔板及储热装置”、申请号为201720350909.9的专利“一种相变储热装置”。上述装置主要存在以下问题，换热管路固定安装在储热箱体内，只能通过增大换热面积实现低温差换热、提高储放热效率，增加了储热成本、降低了储能密度；固-液相变储热材料在吸放热循环过程中，存在过冷、相分离和材料混合不均等现象，降低了材料的储放热性能、缩短了其使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的是利用活动式换热器实现低温差换热、提高储放热效率、提高储能密度、降低储热成本、一定程度解决相变储热材料的过冷和相分离问题、延长储热材料使用寿命。

本发明是一种内置活动式换热器的固-液相变储热装置及使用方法，本发明的内置活动式换热器的固-液相变储热装置，储热箱体1由外壳11、保温材料12及内胆13组成，所述储热箱体1上端设轨道2，储热箱体1内设有吸热换热器3和放热换热器4；所述的吸热换热器3和放热换热器4进出口端分别安装第一滚动轴承51、第二滚动轴承52、第三滚动轴承53、第四滚动轴承54，置于上述轨道2上；第一电动机61安装在吸热换热器3入口处、与第一滚动轴承51的外圈啮合，或者第一电动机61安装在吸热换热器3出口处、与第二滚动轴承52外圈啮合；第一电动机61的控制输入端与控制器8的输出端相连，实现对电动机启动、停机的控制；电动机与上述滚动轴承外圈啮合，在控制器8的控制下，分别由第一电动机61和第二电动机62驱动所述吸热换热器3和放热换热器4在轨道2上左右移动。

本发明的内置活动式换热器的固-液相变储热装置的使用方法，其步骤为：

（1）储热时，储热箱体1内部储热材料全部为固态，吸热换热器3和放热换热器4分别紧挨着储热箱体1左右两侧的内胆13；

（2）传热介质从吸热换热器3入口流进，利用吸热换热器3进出口端的第一温度传感器91、第二温度传感器92监测两端的温度，当两者温差小于程序设定值3-8℃时，控制器8启动第一电动机61驱动吸热换热器3向前移动直至固-液交界面，第一电动机61关机，当吸热换热器3进出口端温差再次小于程序设定值3-8℃时，再次启动电动机，如此往复，直至吸热换热器3移动到放热换热器4处，储热箱内固相储热材料全部熔化，完成储热过程；

（3）吸热换热器3、放热换热器4需全部归位，控制器8启动第一电动机61、第二电动机62驱动吸热换热器3及放热换热器4反向移动至储热箱体1的另外一侧，吸热换热器3靠近箱体内胆、放热换热器4紧挨着吸热换热器；

（4）放热时，储热箱体1内部储热材料全部为液态，吸热换热器3靠近箱体左侧内胆13、放热换热器4紧挨着吸热换热器3；从放热换热器4进口流入传热介质，利用放热换热器进出口端的第三温度传感器93、第四温度传感器94监测两端的温度；当两者温差小于程序设定值3-8℃时，控制器8输出启动电加热器7的信号、计算传热工质向固相储热材料释放的热量q，当热量q达到程序设定值q0时，将放热换热器表层约1mm厚的固相储热材料融化，控制器8关闭电加热器7、启动第二电动机62，由第二电动机62驱动放热换热器4向前移动一个传热平板44的宽度，第二电动机62关机；再次监测进出口端的温差，如此往复直至储热箱内液态储热材料全部凝固，完成放热过程。

本发明的有益效果是：本发明采用内置活动式换热器的固-液相变储热装置，换热器在储放热的过程中可往复移动，时刻能与储热材料紧密接触，可达到在不增加换热面积、影响储热密度的前提下，降低了换热温差、提高储热放效率；同时，活动式的换热器使相变储热材料发生扰动，可有效的降低其过冷及相分离、延长了储热材料的使用寿命。采用电动机驱动换热器在轨道上移动，结构简单、可靠、成本低。本发明中配备了温度传感器、控制器，可实现设备的自动控制功能，根据需要自动完成储放热过程。

附图说明

图1是本发明所述的内置活动式换热器固-液相变储热装置的结构示意图，图2是图1中a-a的剖视图，图3是图1中b-b的剖视图，附图标记及对应名称为：1、储热箱体；11、储热箱体外壳；12、储热箱体保温材料；13、储热箱体内胆；2、轨道；3、吸热换热器；31、吸热换热器的第一排管；32、吸热换热器的第一下集管；33、吸热换热器的第一上集管；34、吸热换热器的带孔传热平板；4、放热换热器；41、放热换热器的第二排管；42、放热换热器的第二下集管；43、放热换热器的第二上集管；44、放热换热器的传热平板；51、吸热换热器进口端的第一滚动轴承；52、吸热换热器出口端的第二滚动轴承；53、放热换热器进口端的第三滚动轴承；54、放热换热器出口端的第四滚动轴承；61、吸热换热器的第一电动机；62、放热换热器的第二电动机；7、电加热器；8、控制器；91、吸热换热器进口端的第一温度传感器；92、吸热换热器出口端的第二温度传感器；93、放热换热器进口端的第三温度传感器；94、放热换热器出口端的第四温度传感器。

具体实施方式

如图1~图3所示，本发明是一种内置活动式换热器的固-液相变储热装置及使用方法，本发明的内置活动式换热器的固-液相变储热装置，储热箱体1由外壳11、保温材料12及内胆13组成，所述储热箱体1上端设轨道2，储热箱体1内设有吸热换热器3和放热换热器4；所述的吸热换热器3和放热换热器4进出口端分别安装第一滚动轴承51、第二滚动轴承52、第三滚动轴承53、第四滚动轴承54，置于上述轨道2上；第一电动机61安装在吸热换热器3入口处、与第一滚动轴承51的外圈啮合，或者第一电动机61安装在吸热换热器3出口处、与第二滚动轴承52外圈啮合；第一电动机61的控制输入端与控制器8的输出端相连，实现对电动机启动、停机的控制；电动机与上述滚动轴承外圈啮合，在控制器8的控制下，分别由第一电动机61和第二电动机62驱动所述吸热换热器3和放热换热器4在轨道2上左右移动。

如图1~图3所示，所述轨道2形状与第一滚动轴承51、第二滚动轴承52、第三滚动轴承53、第四滚动轴承54相匹配，即轨道2为倒v型、则第一滚动轴承51、第二滚动轴承52、第三滚动轴承53、第四滚动轴承54的外圈应为v型凹槽。

如图1、图2所示，吸热换热器3由第一排管31、第一下集管32、第一上集管33和带孔传热平板34组成；数根铜管平铺成第一排管31，两端分别与第一下集管32、第一上集管33焊接，在第一排管31间焊有带孔传热平板34；第一下集管32一端伸出储热箱体1外为入口，一端封闭；第一上集管33一端伸出储热箱体1外为出口，一端封闭。

如图1、图3所示，放热换热器4由第二排管41、第二下集管42、第二上集管43和传热平板44组成；数根铜管平铺成第二排管41，两端分别与第二上集管43、第二下集管42焊接，传热平板44焊接在第二排管41上其方向与集排管平面垂直；第二下集管42一端伸出储热箱体1外为入口，一端封闭；第二上集管43一端伸出储热箱体1外为出口，一端封闭。

如图1、图3所示，第二电动机62安装在放热换热器4入口处、与第三滚动轴承53的外圈啮合，或者第二电动机62安装在放热换热器4出口处、与第四滚动轴承54的外圈啮合；第二电动机62的控制输入端与控制器8的输出端相连，能够实现对电动机启动、停机的控制。

如图1、图3所示，所述的吸热换热器3和放热换热器4进出口端分别安装第一温度传感器91、第二温度传感器92、第三温度传感器93、第四温度传感器94，监测进出口处工质的温度；第一温度传感器91、第二温度传感器92、第三温度传感器93、第四温度传感器94的信号输送至控制器8。

如图1、图3所示，电加热器7固定在放热换热器4进口端，加热管内工质、熔化放热换热器4表层固相储热材料，电加热器7的控制端与控制器8的输出端相连，实现对电加热器启动、停机的控制。

如图1~图3所示，本发明的内置活动式换热器的固-液相变储热装置的使用方法，其步骤为：

（1）储热时，储热箱体1内部储热材料全部为固态，吸热换热器3和放热换热器4分别紧挨着储热箱体1左右两侧的内胆13；

（2）传热介质从吸热换热器3入口流进，利用吸热换热器3进出口端的第一温度传感器91、第二温度传感器92监测两端的温度，当两者温差小于程序设定值3-8℃时，控制器8启动第一电动机61驱动吸热换热器3向前移动直至固-液交界面，第一电动机61关机，当吸热换热器3进出口端温差再次小于程序设定值3-8℃时，再次启动电动机，如此往复，直至吸热换热器3移动到放热换热器4处，储热箱内固相储热材料全部熔化，完成储热过程；

（3）吸热换热器3、放热换热器4需全部归位，控制器8启动第一电动机61、第二电动机62驱动吸热换热器3及放热换热器4反向移动至储热箱体1的另外一侧，吸热换热器3靠近箱体内胆、放热换热器4紧挨着吸热换热器；

（4）放热时，储热箱体1内部储热材料全部为液态，吸热换热器3靠近箱体左侧内胆13、放热换热器4紧挨着吸热换热器3；从放热换热器4进口流入传热介质，利用放热换热器进出口端的第三温度传感器93、第四温度传感器94监测两端的温度；当两者温差小于程序设定值3-8℃时，控制器8输出启动电加热器7的信号、计算传热工质向固相储热材料释放的热量q，当热量q达到程序设定值q0时，将放热换热器表层约1mm厚的固相储热材料融化，控制器8关闭电加热器7、启动第二电动机62，由第二电动机62驱动放热换热器4向前移动一个传热平板44的宽度，第二电动机62关机；再次监测进出口端的温差，如此往复直至储热箱内液态储热材料全部凝固，完成放热过程。

以上所述的内置活动式换热器的固-液相变储热装置的使用方法，程序设定值q0的大小取决于储热材料的相变潜热l(j/g)、密度ρ(g/mm³)及传热平板的面积s（mm²），程序设定值。

实施例一：如图1～图3所示，本发明的具体实施方式是：由外壳11、保温材料12及内胆13组成的储热箱体1，储热箱体1左右两侧上端安装倒v型轨道2；放热换热器4由第二排管41、第二上集管43、第二下集管42和传热平板44组成；数根铜管平铺成第二排管41，两端分别与第二上集管43、第二下集管42焊接，面积为0.05m²的传热平板44焊接在第二排管41上其方向与集排管平面垂直；第二下集管42一端伸出储热箱体1外为入口，一端封死；第二上集管43一端伸出储热箱体1外为出口，一端封闭；吸热换热器3由第一排管31、第一下集管32、第一上集管33和带孔传热平板34组成；数根铜管平铺成第一排管31，两端分别与第一下集管32、第一上集管33焊接，在第一排管31间焊有带孔传热平板34；第一下集管32一端伸出储热箱体1外为入口，一端封闭；第一上集管33一端伸出储热箱体1外为出口，一端封闭；吸热换热器3和放热换热器4进出口端分别安装第一~第四滚动轴承51、52、53、54，安置于上述倒v型轨道2上，吸热换热器3靠近内胆左侧面、放热换热器4靠近内胆右侧面；第一、第二电动机61、62分别安装在吸热换热器3和放热换热器4进口端，与第一、第三滚动轴承51、53啮合；吸热换热器3进出口端分别安装第一、第二温度传感器91、92，第一、第二温度传感器91、92的信号输送至控制器8，控制器8一个输出端与电动机控制端相连、控制电动机启停，使吸热换热器3在轨道2上左右移动；放热换热器4进出口端分别安装第三、第四温度传感器93、94，第三、第四温度传感器93、94的信号输送至控制器8，放热换热器4进口端处安装电加热器，控制器另外两个输出端分别与电动机和电加热器相连、控制电动机和电加热器的启停，使放热换热器4在轨道2上左右移动。

本发明的使用方法，其实施步骤是：将吸热换热器3移动至储热箱体1的内胆左侧旁、放热换热器4移动至内胆右侧旁，然后向储热箱体1内部填充固态颗粒状储热材料三水醋酸钠，其相变潜热为265j/g、密度为0.00145g/mm³。

（1）储热时，储热箱体1内部储热材料均为固态，吸热换热器3和放热换热器4分别紧挨着储热箱体1左右两侧的内胆13，传热介质从吸热换热器3入口流进，利用吸热换热器3进出口端的第一、第二温度传感器91、92监测两端的温度，当两者温差小于程序设定值3-8℃时，说明传热介质热量释放功率降低，控制器8启动第一电动机61驱动吸热换热器3向右移动直至固-液交界面，第一电动机61关机，当吸热换热器3进出口端温差再次小于程序设定值3-8℃时，再次启动电动机，如此往复，直至吸热换热器3移动到放热换热器4处，储热箱内储热材料全部熔化，完成储热过程。为进入放热循环过程，此时，吸热换热器3、放热换热器4需全部归位，控制器8启动第一、第二电动机61、62驱动吸热换热器3及放热换热器4反向移动至储热箱体1的另外一侧，吸热换热器3靠近箱体内胆、放热换热器4紧挨着吸热换热器。

（2）放热时，储热箱体1内部储热材料均为液态，吸热换热器3靠近箱体内胆13、放热换热器4紧挨着吸热换热器3。从放热换热器4进口流入传热介质，利用放热换热器进出口端的第三、第四温度传感器93、94监测两端的温度；当两者温差小于程序设定值3-8℃时，控制器8输出启动电加热器7的信号、计算传热工质向固相储热材料释放的热量q，当热量q达到程序设定值-=23kj热换热器表层约1mm厚的固相储热材料融化，控制器8关闭电加热器7、启动第二份电动机62，由第二电动机62驱动放热换热器4向前移动一个传热平板44的宽度，第二电动机62关机；再次监测进出口端的温差，如此往复直至储热箱内液态储热材料全部凝固，完成放热过程。

实施例2：基于上述实施例的基础上，本实施例中第、第二电动机61、62分别安装在吸热换热器3和放热换热器4出口端，与第二、第四滚动轴承52、54啮合。

实施例3：基于上述实施例的基础上，储热箱体1内部放入固态石蜡，其相变潜热为189j/g、密度为0.00093g/mm³，则热量的程序设定值=10.5kj。