一种微热管阵列式梯级相变蓄热系统

技术领域：

本发明涉及一种微热管阵列式梯级相变蓄热系统，属于相变蓄热领域。

背景技术：
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大力发展太阳能以及余热、废热等能源的再利用是减缓化石能源消耗的有效途径。但是，此类能源具有能量密度低、间歇性和供需匹配性差的特点，不能使其成为稳定热源。因此，需要用蓄热手段先将其收集起来，这使得能量的供给和需求在时间和强度上得以匹配。

相变蓄热具有蓄能密度较大、蓄放热过程温度相对稳定的特点，应用前景十分广阔。但是相变材料导热系数低，这使得装置不能实现能量的快速蓄放。增大相变材料与换热流体间的换热面积和以及增加换热温差是解决这一问题的有效途径。采用微热管阵列式相变蓄热装置，可以分别在换热流体侧和相变材料侧扩大换热面积。同时，为提高蓄热系统换热温差，蓄热系统将采用梯级蓄热的模式，即采用多种熔点不同的相变材料进行蓄热。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种由n级(n大于等于2)蓄热装置组成的微热管阵列式梯级相变蓄热系统，以提高蓄热系统的蓄放热速率和能源利用率。其中，蓄热装置是以微热管阵列为核心传热元件，装置下部为供热段，中部为蓄热段，上部为放热段，在这种形式下，可有效地扩展流体侧和相变材料侧的换热面积。同时梯级蓄热系统采用不同熔点的相变材料进行蓄热，提高了热交换流体和相变材料之间的换热温差。

上述的目的可以通过以下技术方案实现：

一种微热管阵列式梯级相变蓄热系统，包括多个蓄热装置、冷源、热源。所述的蓄热装置包括蓄热箱体、相变材料、强化换热翅片、微热管阵列、冷源流体通道、热源流体通道和保温材料。

所述的微热管阵列式梯级相变蓄热系统由n个串联连接的蓄热装置即由n级蓄热装置依次串联连接构成；第1级蓄热装置到第n级蓄热装置各自承载的相变材料的相变温度依次递减；所述的冷源为需要加热的液体，所述的热源为工业余热或者太阳能的热水；

每一级蓄热装置由多个并列排布的微热管阵列(5)组成，每一个微热管阵列包括上中下三部分，中部部分外表面设有强化换热翅片(6)，中部部分位于蓄热箱体(3)内，每一级蓄热装置的所有微热管阵列(5)的中部均位于同一个蓄热箱体内，箱体内装有相变材料(2)，不同级蓄热装置对应不同的蓄热箱体；微热管阵列(5)上部分和下部分均伸出对应的蓄热箱体；每一级蓄热装置的微热管阵列(5)上部分表面贴合设有1-2道冷源流体通道(1)，每一级蓄热装置的微热管阵列(5)上部分的冷源流体通道为同一连通的冷源流体通道(1)；每一级蓄热装置的微热管阵列(5)下部分表面贴合设有1-2道热源流体通道(4)，每一级蓄热装置的微热管阵列(5)下部分的热源流体通道为同一连通的热源流体通道(4)；所有n级冷源流体通道(1)串联连通，构成取热段；所有n级热源流体通道(4)串联连通，构成供热段；所有蓄热箱体构成蓄热段；取热段内的换热液体为冷源，供热段内的液体为热源；

强化换热翅片和微热管阵列(5)之间的连接方式有粘贴、焊接和法兰连接；微热管阵列(5)和冷源流体通道/热源流体通道之间可采用粘贴和法兰连接。

所述蓄热箱体形状为长方体，且箱体应在底板和顶板加工有定位和安装微热管阵列的矩形通道。微热管阵列由蓄热箱体向上和向下各伸出一定长度，安装时，通孔部位用橡胶圈挤压密封，并涂抹硅胶以防止相变材料泄露。

所述热源流体通道和冷源流体通道采用多通道扁管，其外形为扁平状，内部由一个或者多个并列通道(11)并列组成；在沿并列通道(11)长度方向的两端分别设置汇总通道，汇总通道的长度方向垂直并列通道(11)的长度，汇总通道成为稳流段(10)，由稳流段(10)。

所述的相变材料可以是有机相变材料、无机相变材料或复合相变材料。

所述的蓄热装置、热源流体通道和冷源流体通道外表面设置保温材料，其厚度应根据热性能和价格综合考虑。

微热管阵列(5)内部为多个并列排布成一排的阵列式微通道(9)，每个微通道的上下内表面设有多个微翅(7)，相邻微翅(7)之间形成毛细微槽，微通道(9)的侧壁即通道间壁(8)为平板结构。

所述微通道(9)橫截面形状可为矩形、圆形和三角形，微通道(9)的水力直径为0.2-3.0mm。所微通道(9)内部采用抽真空灌装工质(如r141b)，两端密封形成整体热管，完全采用挤压而成。

微热管两面可以贴合多个多通道扁管，进出口可以是并联的关系，也可以设置汇流管，成一个进出口。

所述的微热管阵列式梯级相变蓄热系统的工作方式，主要有三种工作模式，蓄热模式、放热模式和同时蓄放热模式。

蓄热模式：所述的热源流体首先进入具有较高相变温度的第1级蓄热装置，与相变材料换热后，进入第2级蓄热装置中，然后依次进入下级蓄热装置进行换热，直至从第n级蓄热装置流出。

当所述的微热管阵列式梯级相变蓄热系统处于所述的蓄热模式时，进入第1级蓄热装置的热源流体温度高于第1级蓄热装置内相变材料的相变温度，同时，进入2级蓄热装置到第n级蓄热装置的热源流体温度也高于其装置内部的相变材料的相变温度。

放热模式：在这一模式下，所述的冷源流体的流动方向与蓄热过程相反；冷源流体首先进入所述的第n级蓄热装置，与装置内相变材料换热后，进入第n-1级蓄热装置，然后依次进入下级蓄热装置进行换热，直至从第1级蓄热装置流出。

当所述的微热管阵列式梯级相变蓄热系统处于所述的放热模式时，进入所述的第n级蓄热装置的冷源流体温度低于第n级蓄热装置内相变材料的相变温度，同时，第n-1级进入蓄热装置到第1级蓄热装置的冷源流体温度也低于其装置内部的相变材料的相变温度。

同时蓄放热模式：即蓄热模式和放热模式同时进行的模式，热源流体在供热段提供热量的同时冷源流体在取热段进行取热。

本发明的技术效果：

本发明的一种微热管阵列式梯级相变蓄热系统由n级相变温度不同的蓄热装置组成，每个蓄热装置均由蓄热箱体、相变材料、强化换热翅片、微热管阵列、冷源流体通道、热源流体通道和保温材料组成。其中，相变材料位于蓄热箱体内部；多通道扁管作为热源流体通道和冷源流体通道；微热管阵列作为核心传热元件，其蒸发段和冷凝段伸出蓄热箱体外，分别与热源流体通道和冷源流体通道相贴合，而其蓄热段位于蓄热箱体内部，其表面贴合有强化换热翅片。

与传统的传热元件不同，微热管阵列是由金属材料经挤压形成的具有多孔结构的扁平状的导热体，内部具有多个并排排列的互不连通且独立运行的微热管，且每个微热管的水力直径为0.2-3.0mm，内部灌装有特殊的工质。通过内部工质的蒸发和冷凝，可实现自发的快速的热量传递。多通道扁管作为冷源、热源流体通道，其内部至少有两个及以上的流体通道，并且每个通道内都有特殊的锯齿结构，可极大地提高传热效果。

本发明的一种微热管阵列式梯级相变蓄热系统在蓄放热时，一方面多通道扁管极大地强化了热源和冷源流体侧的换热；另一方面，微热管阵列贴合翅片的方式极大地强化了相变材料侧的换热，有效的提高了蓄热装置的蓄放热速率。同时，蓄热系统采用梯级蓄热的模式使冷热源流体和相变材料之间的换热温差更加均匀，提高了蓄热系统的蓄放热速率和能源利用率。

附图说明：

图1为本发明其中一种技术方案的微热管阵列式梯级相变蓄热系统的示意图。

图2为本发明其中一种蓄热装置的示意图。

图3为本发明其中一种微热管阵列的示意图。

图4为本发明其中一种多通道扁管的示意图。

图5当本发明应用于工业余热回收时的系统原理图

图6当本发明应用于太阳能热利用时的系统原理图

附图标号：

1-冷源流体通道；2-相变材料；3-蓄热箱体；4-热源流体通道；5-微热管阵列；6-强化换热翅片；7-微翅；8-通道间壁；9-微通道；10-稳流段；11-通道。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：

图5为微热管阵列式梯级相变蓄热装置应用于工业余热回收时的系统原理图。系统包括工厂余热、流体通道、微热管式梯级相变蓄热系统、储水箱和用户。

如图1所示，微热管阵列式梯级相变蓄热系统由n个蓄热装置串联连接形成。图2为蓄热装置的立体结构示意图，装置分为供热段、蓄热段和取热段，主要由冷源流体通道1、热源流体通道4、蓄热箱体3、相变材料2、微热管阵列5和强化换热翅片6组成。供热段由凸出蓄热箱体的微热管阵列5与热源流体管道4贴合形成，蓄热段由多个贴有强化换热翅片6的微热管阵列5、相变材料2及蓄热箱体3组成。取热段由凸出蓄热箱体3的微热管阵列5与冷源流体管道1贴合形成。强化换热翅片6和微热管阵列5之间的连接方式有粘贴、焊接和法兰连接；微热管阵列5和流体通道1和4之间可采用粘贴和法兰连接。

所述的微热管阵列5是一个具有超级导热性能的导热元件，其结构如图3所示。内部具有两个或两个以上并排排列的阵列式微通道9，微通道内壁上依次设置由若干导热材料制成的微翅片7，相邻微翅片之间形成毛细微槽。

所述的冷源流体通道和热源流体通道为一种多通道扁管，其进出口设有稳流段10以保证内部每个通道中的流体均匀的分配，内部通道11数量在2个以上，其结构如图4所示。

所述的强化换热翅片6可以是纵向翅片、百叶窗翅片、矩形交错翅片和波纹翅片等。

所述的蓄热箱体3由钢板焊接制成，其顶部和底部加工有定位和安装微热管阵列5的矩形通孔是微热管阵列，在上下各伸出一定长度，安装时，通孔部位用橡胶圈挤压密封，并涂抹密封胶用以防止相变材料泄漏。

所述的蓄热箱体3、热源流体通道4和冷源流体通道1外部设有保温材料，其厚度根据热性能综合决定。

微热管阵列式梯级相变蓄热系统运用于余热回收时的工作原理是如下。蓄热时，工业废水经水泵首先被送入相变温度最高的第1级蓄热装置的热源流体通道，微热管阵列的蒸发段吸收热源流体通道内工业废水的余热，并将热量快速传递到蓄热段，蓄热段将热量传导至与之贴合的强化换热翅片上，最终热量被第1级蓄热装内的相变材料吸收并储存。经过第1级蓄热装置后的工业废水温度降低，但仍高于第2级蓄热装置内相变材料的相变温度，工业废水继续流入第2级蓄热装置的热流体通道，经由微热管阵列将热量储存在第2级蓄热装置内的相变材料里。以此类推，流过第n级蓄热装置后，工业废水内的余热被成功储存在梯级蓄热系统内。取热时，水泵抽取储热水箱下部的冷水，首先进入相变温度最低的第n级蓄热箱体的冷源流体通道。此时，微热管阵列蓄热段将相变材料内储存的热量快速传递到冷凝段，经由冷流体通道最终将热量传递给冷水。冷水温度升高，但仍低于第n级蓄热箱体内相变材料的相变温度。冷水继续进入第n级蓄热箱体的冷流体通道，带走相变材料储存的热量。以此类推，流过第1级蓄热装置后，冷水的温度上升，然后进入储热水箱的上部，被储存在储热水箱内。为用户供热时，水泵从储热水箱上部将热水送入用户末端，热水温度降低后回到水箱下部。并可根据用户末端的形式，通过三通调节阀调节进入末端的供水温度。

实施例2：

图6为微热管阵列式梯级相变蓄热系统和太阳能集热器系统联合使用时的系统原理图，该系统可提供生活用热水。系统包括集热器、流体通道、微热管阵列式梯级相变蓄热系统、储水箱、生活热水用户。

该系统热源为集热器内热水，热水与梯级相变蓄热系统换热后再次回到集热器，完成一个循环。系统冷源为自来水，被梯级相变蓄热系统加热后进入储水箱，用户根据需要调节用水温度。其蓄热和取热过程和实施例1类似。