一种立式变螺距及螺径螺旋管相变储热单元及方法技术

本发明专利技术涉及储能技术领域，具体涉及一种立式变螺距及螺径螺旋管相变储热单元及方法，包括双层外壳

【技术实现步骤摘要】
一种立式变螺距及螺径螺旋管相变储热单元及方法


[0001]本专利技术涉及储能
，具体涉及一种立式变螺距及螺径螺旋管相变储热单元及方法
。

技术介绍

[0002]相变储热技术主要利用固
‑
液相变材料在熔化过程中吸收潜热进行热量存储，采用相变蓄热的蓄热单元具有尺寸小
、
热功率稳定
、
热损失小等优势，在工业余热利用
、
可再生能源消纳
、
建筑节能等领域有着广泛的应用前景
。
但固
‑
液相变材料的导热系数普遍偏小，相变材料和换热流体之间传热过程中的主要热阻位于相变材料侧，需要配合传热强化技术以改善相变材料侧的传热系数，才能使储热装置实现高效的热量输入和输出
。
[0003]换热管是一种被动式传热元件，现有的换热管形式有不同形状的直管，多管以及常规螺旋管等结构，但这些结构依旧普遍存在温度均匀性差
、
相变材料普遍导热系数低
、
储能效率低以及过冷和相分离的问题，针对这些问题，研究人员分别从优化储热装置外壳的横截面积
、
添加高导热性纳米颗粒或泡沐金属以及在相变蓄热装置中安装翅片等方面进行大量的数值仿真和实验研究，中国专利文件
CN202111310357.6
公开了一种
H
型翅片管式相变储热器，
H
型翅片在换热管组上采用交错布置，能够使相变材料融化或凝固过程更加均匀，避免出现局部过冷或过热
。
此外，利用角钢或肋板支撑
H
型翅片换热管组，可以有效避免换热管组在进行反复储热释热过程中，因被相变材料挤压而发生变形拉裂
。
虽然这些方法有利于提高蓄热效率，但是存在加工工艺复杂
、
制备工艺复杂以及成本较高的缺点，以及在相同的装置体积下相变材料的量大量减少，储能密度大幅降低等缺点
。
[0004]因此，本专利技术提出了一种新的换热管结构，即变螺距及螺径螺旋换热管，该结构不仅相较于立式单管及
H
型翅片管式相变储热器提高了储能密度，而且可有效改善立式储热单元相分离的出现，扩大储热单元的对流区域，强化自然对流
。
该结构提高了储热单元的温度均匀性，缩短了相变材料的熔化时间，提高了储热效率
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种立式变螺距及螺径螺旋管相变储热单元及方法，可以有效改善立式相变储热单元熔化均匀性和温度均匀性，并且可以有效解决相变材料相分离的问题
。
[0006]为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术是通过以下技术方案实现：螺旋换热管的螺距及螺径都是线性变化的，螺旋管底部螺距小
、
螺径大，螺旋管顶部的螺距大
、
螺径小
。
螺旋管底部螺距小
、
螺径大，有助于立式储能单元底部加强换热，改善底部相分离的产生；螺旋管顶部的螺距大
、
螺径小，有助于立式储热单元在顶部的自然对流，扩大自然对流区域
。
[0007](1)
本专利技术对换热管的结构进行了优化，如采用变螺距及螺径螺旋换热管，螺径由底部向顶部线性减小，螺距由底部向顶部增大，底部螺旋管采用大螺径小螺距，使得底部存
在更多热源，底部热源从中心分散到外围，以改善底部外围熔化盲区及相分离的出现，提高熔化均匀，顶部螺旋管采用小螺径大螺距，使得顶部有更多的自然对流区域，强化自然对流，底部外围热源上部的相变材料熔化后，其在自然对流的作用下使得外围上方的相变材料快速熔化，提高了储热单元的温度均匀性及储热效率
。
[0008](2)
本专利技术对换热管的结构进行了优化，如采用变螺距及螺径螺旋换热管，螺径由底部向顶部线性增大，螺距由底部向顶部减小，顶部螺旋管采用大螺径小螺距，使得顶部部存在更多热源，顶部热源加速顶部相变材料的熔化，提前自然对流的出现，以加速相变材料的熔化，底部螺旋管采用小螺径大螺距，使得底部有更多的自然对流区域，以顶部熔化后产生的自然对流加速底部相变材料的熔化，使得储热单元的温度均匀性及储热效率更高
。
[0009]一种立式变螺距及螺径螺旋管相变储热单元，包括双层外壳
、
相变材料
、
螺旋换热管和换热流体，所述双层外壳包裹相变材料，相变材料填充于管壳和螺旋换热管之间，所述螺旋换热管的螺距及螺径都为线性变化，换热流体流通于螺旋换热管内，为相变材料提供热能熔化相变材料以储存能量，不同的换热管形式会显著影响相变材料的熔化时间，从而影响储热单元的储热效率
。
[0010]进一步的，所述双层外壳分别为隔热层和管壳，所述隔热层覆盖于管壳的外表面，其中管壳为高温石英玻璃，隔热层为隔热棉
。
[0011]进一步的，螺旋换热管顶部到底部的螺距及螺径都为线性变化，螺旋换热管底部到顶部的螺距线性增大，螺旋换热管底部到顶部的螺径线性减小
。
[0012]进一步的，所述螺旋换热管底部螺距
4mm、
螺径
34mm
，螺旋换热管顶部的螺距
16mm、
螺径
6mm
，螺旋换热管高度
45mm。
螺旋换热管管径
1.5mm
，壁厚
0.2mm。
[0013]进一步的，相变材料填充在管壳和变螺距及螺径螺旋换热管之间以储存能量，换热流体从储热单元底部通入，顶部流出
。
[0014]进一步的，所述相变材料为石蜡，初始温度为
25℃
，比热容
3220J/kg
·
K
，密度
900kg/m3，膨胀系数
0.0001/K
，动力粘度
62℃
为
0.0077kg/m
·
s
，
63℃
为
0.005kg/m
·
s
，导热率
0.21W/m
·
K
，熔化潜热
200000J/kg
，固相温度
60℃
，液相温度
62℃。
[0015]另一方面，本专利技术提出上述储热单元的储热强化方法，包括以下步骤：
[0016]立式单管相变储热单元由于换热管位于储热单元的中心处，在重力影响下产生的自然对流使储能单元上部的相变材料熔化更快，导致储热单元底部外围相变材料熔化慢，会形成熔化盲区，温度不均匀
、
熔化时间长
。
[0017]因此，本专利技术对换热管的结构进行了优化，采用变螺距及螺径螺旋换热管，底部螺旋换热管采用大螺径小螺距，使得底部存在更多热源，底部热源从中心分散到外围，以改善底部外围熔化盲区的出现，提高熔化均匀，顶部本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种立式变螺距及螺径螺旋管相变储热单元，其特征在于，包括双层外壳
、
相变材料
(3)、
螺旋换热管
(4)
和换热流体
(5)
，所述双层外壳包裹相变材料
(3)
，相变材料
(3)
填充于管壳
(2)
和螺旋换热管
(4)
之间，所述螺旋换热管
(4)
的螺距及螺径都为线性变化，换热流体
(5)
流通于螺旋换热管
(4)
内，为相变材料
(3)
提供热能熔化相变材料
(3)
以储存能量
。2.
如权利要求1所述的立式变螺距及螺径螺旋管相变储热单元，其特征在于：所述螺旋换热管
(4)
顶部到底部的螺距及螺径都为线性变化，螺旋管底部到顶部的螺距线性增大，螺旋管底部到顶部的螺径线性减小
。3.
如权利要求2所述的立式变螺距及螺径螺旋管相变储热单元，其特征在于：所述螺旋换热管
(4)
底部螺距
4mm、
螺径
34mm
，螺旋换热管
(4)
顶部的螺距
16mm、
螺径
6mm
，螺旋管高度
45mm。
螺旋换热管
(4)
管径
1.5mm
，壁厚
0.2mm。4.
如权利要求1所述的立式变螺距及螺径螺旋管相变储热单元，其特征在于：所述双层外壳分别为隔热层
(1)
和管壳
(2)
，所述隔热层
(1)
覆盖于管壳
(2)
的外表面，其中管壳
(2)
为高温石英玻璃，隔热层<...

【专利技术属性】
技术研发人员：自健龙，龙威，刘云龙，林婷婷，钱海峰，张雨森，贺满江，卢思臣，张治红，王杰，王小华，印玉廷，桂浦腾，乔妍，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：