高温相变蓄热管及蓄热器.pdf

本发明提供的是高温相变蓄热管及蓄热器。包括壳体、设置于壳体中的高温相变蓄热管，其特征是：所述的高温相变蓄热管的组成包括蛇形工质导管，蛇形工质导管外侧带有环形翅片，环形翅片之间安装有扇环蓄热单元，扇环蓄热单元中充装相变材料，蛇形工质导管内装有工质，工质为混合熔盐。它是利用相变材料的固液相变过程来完成能量的存储和释放，其优点是容积小，蓄热密度大，恒温放热，具有一定的开发前景。

1、  一种高温相变蓄热管，包括蛇形工质导管，其特征是：蛇形工质导管外侧带有环形翅片，环形翅片之间安装有扇环蓄热单元，扇环蓄热单元中充装相变材料，所述的相变材料的摩尔百分比组成为：80.5％LiF、19.5％CaF₂。

2、  一种高温相变蓄热管蓄热器，包括壳体、设置于壳体中的高温相变蓄热管，其特征是：所述的高温相变蓄热管的组成包括蛇形工质导管，蛇形工质导管外侧带有环形翅片，环形翅片之间安装有扇环蓄热单元，扇环蓄热单元中充装相变材料，所述的相变材料的摩尔百分比组成为：80.5％LiF、19.5％CaF₂。蛇形工质导管内装有工质，工质为混合熔盐，混合熔盐的摩尔比组成为：42.5％氯化钠、20.5％氯化钾、37％无水氯化镁。

3、  根据权利要求2所述的高温相变蓄热管蓄热器，其特征是：多根高温相变蓄热管以并联的形式置于壳体内，每根高温相变蓄热管中间用隔板隔开，各高温相变蓄热管入口端由均匀分配工质的均液器相连，各高温相变蓄热管出口端由蓄热器后工质的集液器相连。

高温相变蓄热管及蓄热器
(一)技术领域
本发明涉及的是一种能量的存储与释放装置，特别涉及一种新型的高温相变蓄热装置。
(二)背景技术
当前我国及世界上许多国家面临着电力供应跟不上经济发展需要的矛盾，电网峰谷负荷差异大，谷电利用率不高。相对于常规能源，太阳能是巨大的能源宝库，具有清洁无污染、取用方便的特点，特别是在一些高山地区，如我国的甘肃、青海、西藏等地，太阳辐射强度大，而其它能源短缺，故太阳能的利用就更为普通，但到达地球表面的太阳辐射，能量密度却很低，而且受地理、昼夜和季节等规律性变化的影响，以及因晴云雨等随机因素的制约，其辐射强度也不断发生变化，具有显著的稀薄性、间断性和不稳定性。为了保持供热或供电装置稳定不间断地运行，就需要蓄热装置把太阳能储存起来，在太阳能不足时再释放出来，从而满足生产和生活用能连续和稳定供应的需要。但是现有的太阳能蓄热装置的蓄热量小，蓄热体积大，放热不稳定。与本发明相关的公开报道有：
专利名称：电热相变蓄热器，申请号：97240662.X，申请国：中国的专利文件中，描述了一种提供工业用高温气体的电热相变蓄热器，使气体流过经预热的蓄热介质而被加热以供加热作业之用，本实用新型采用热容大和相变潜热大的金属相变材料作为蓄热介质，将电热元件、换热管和蓄热介质结合为一体形成电热储能体，并采用保温层和兼作换热气进气风道的空气夹层等双层保温措施，能有效避免二次热损失和缩小蓄热器体积，具有较高的热效率。
专利名称：整体针翅管式相变蓄热、换热器，申请号：200720188017.X，申请国：中国的专利文件中，描述了一种整体针翅管式相变蓄热、换热器，在外壳内装有针翅管，其特征在于：在外壳与针翅管之间填充有相变蓄热材料，所述针翅管上的针翅片通过切削整体加工制成，该针翅片(按旋向一致的三维螺旋形分布在基管(表面，所述针翅片与基管切线夹角为60°～90°，针翅片高度为5～10mm。所述外壳可以是圆筒管，也可以是矩形箱。在外壳内可以装一个针翅管，也可以装数个针翅管。该实用新型结构简单，既能解决能源的间断性、获得稳定的供能，又能大大扩大传热面积、获得高强度传热效果。针翅片与基管间不存在任何接触热阻，翅肋效率高。
专利名称：Phase-change heat-storage electrical heater，申请号：CN20071012525 20070819的专利文件中，描述了一种电加热相变蓄热器，电加热管是安装在翅片壳体的底部，相变蓄热材料填满壳体，当电热管通电蓄热材料受热发生相变，当电热管停止加热，相变蓄热材料释放储存的潜热。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种容积小、蓄热密度大、恒温放热的高温相变蓄热管。本发明的目的还在于提供一种基于本发明的高温相变蓄热管的高温相变蓄热管蓄热器。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的高温相变蓄热管的组成包括蛇形工质导管，蛇形工质导管外侧带有环形翅片，环形翅片之间安装有扇环蓄热单元，扇环蓄热单元中充装相变材料，所述的相变材料的摩尔百分比组成为：80.5％LiF、19.5％CaF₂。
本发明的高温相变蓄热管蓄热器的组成包括壳体、设置于壳体中的高温相变蓄热管，所述的高温相变蓄热管的组成包括蛇形工质导管，蛇形工质导管外侧带有环形翅片，环形翅片之间安装有扇环蓄热单元，扇环蓄热单元中充装相变材料，所述的相变材料的摩尔百分比组成为：80.5％LiF、19.5％CaF₂，蛇形工质导管内装有工质，工质为混合熔盐，混合熔盐的摩尔比组成为：42.5％氯化钠、20.5％氯化钾、37％无水氯化镁。
多根高温相变蓄热管以并联的形式置于壳体内，每根高温相变蓄热管中间用隔板隔开，各高温相变蓄热管入口端由均匀分配工质的均液器相连，各高温相变蓄热管出口端由蓄热器后工质的集液器相连。
本发明提供了一种新型的高温蓄热装置。它是利用相变材料的固液相变过程来完成能量的存储和释放，其优点是容积小，蓄热密度大，恒温放热，具有一定的开发前景。
本发明的蓄热器，包括蓄热器壳体、蛇形工质导管、蓄热单元、隔热材料。蛇形工质导管以并联的形式置于蓄热器壳体内，中间用隔板隔开。蛇形管外侧带有多排环形翅片以强化传热，翅片之间为一个个分离的扇环蓄热单元容器，内部充装相变材料(PCM)。以下我们把带蓄热单元的蛇形管称之为：PCM/工质蛇形管。
所述高温相变蓄热器，其蛇形管内的工质为混合熔盐，其成分按按摩尔比：42.5％氯化钠、20.5％氯化钾、37％无水氯化镁，该熔盐的熔点为400℃。
所述高温相变蓄热器，其蓄热单元充装的相变材料是：80.5％LiF-19.5％CaF₂(摩尔百分比)。
所述高温相变蓄热器，其壳体内、PCM/工质蛇形管管外围填充隔热材料。
(四)附图说明
图1为本发明的高温相变蓄热管蓄热器的结构示意图。
图2为图1的纵向剖视图。
图3为图1的横向剖视图。
图4为本发明的高温相变蓄热管纵向剖视图。
图5为图4的局部放大图。
图6为本发明的高温相变蓄热管蓄热器的壳体的平面图。
图7a-图7c为扇环蓄热单元结构示意图，其中图7a为扇环蓄热单元立体图，
图7b、图7c分别是图7a的纵向与横向剖视图。
图8为进入蓄热器前均匀分配工质的均液器。
图9为流出蓄热器后工质的集液器。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图2-图7，本发明的高温相变蓄热管的组成包括蛇形工质导管4，蛇形工质导管外侧带有环形翅片5，环形翅片之间安装有扇环蓄热单元6，扇环蓄热单元中充装相变材料，外围置有隔热材料7。所述的相变材料的摩尔百分比组成为：80.5％LiF、19.5％CaF₂。扇环蓄热单元由上端盖10、下端盖11、外环板12、内环板13、左侧板14和右侧板15围和组成。
结合图1，本发明的高温相变蓄热管蓄热器的组成包括壳体2、设置于壳体中的高温相变蓄热管1，所述的高温相变蓄热管的组成包括蛇形工质导管4，蛇形工质导管外侧带有环形翅片5，环形翅片之间安装有扇环蓄热单元6，扇环蓄热单元中充装相变材料，外围置有隔热材料7。所述的相变材料的摩尔百分比组成为：80.5％LiF、19.5％CaF₂，蛇形工质导管内装有工质，工质为混合熔盐，混合熔盐的摩尔比组成为：42.5％氯化钠、20.5％氯化钾、37％无水氯化镁。多根高温相变蓄热管(例如3-10根)以并联的形式置于壳体内，每根高温相变蓄热管中间用隔板3隔开，各高温相变蓄热管入口端9由均匀分配工质的均液器16相连，各高温相变蓄热管出口端8由蓄热器后工质的集液器17相连。
载热热工质从入口处进入，当载热热工质流经蛇形导管时，将其携带的热能传递给蓄热单元内的相变材料，相变材料吸热发生相变，完成热能的存储；反之，当冷工质流经蛇形导管时，蓄热材料凝固，放出热量，完成放热过程。
包覆工质管的相变材料容器可采用如下结构形式：单个独立的相变材料容器。蛇形管的环形空间由径向翅片分隔。制造时先将翅片焊在工质管上，每个小容器分别包覆在工质导管上并处于上下两翅片之间，容器与工质管的交界面用钎焊连接以减少接触热阻。由于采用一个个孤立的小室实现PCM充分间隔化，可以控制空穴分布，增加热耦合，解决热松脱问题，同时可靠性较高，局部损坏对整个蓄热器的蓄热能力影响较小。翅片既能强化传热，又能改善空穴分布，防止出现热松脱。单个独立的相变材料容器。缺点是容器制造和PCM充装工艺复杂。
容器的制造与封装：
容器材料采用Haynes188，首先对容器材料在真空条件下固溶处理(固溶温度：相变点附近)，一方面有利于机械冷加工，另一方面减少焊接热裂纹的敏感性。然后按图1所示将内环、外环、两侧、上端盖、下端盖按零件图加工好备用。一个完整的PCM容器的制造，包括：(1)开口容器制备；(2)PCM的充装；(3)PCM容器封装。
●开口容器的焊装与检验：
◆对加工好的零件表面进行超声波清洗、喷砂、抛光等处理后除去表面油渍和各种氧化物及其它污物，特别是对焊接区域处。然后采用真空电子束焊接将内环、外环、两侧、下端盖焊装成开口容器。焊接时要注意采用较低的焊接线能量工艺参数，以尽量减少焊缝金属凝固裂纹和热影响区沿晶裂纹的形成。焊后对每一条焊缝先进行目测检验外观成形，然后在显微镜下观察其表面微裂纹。对在显微镜下发现微裂纹的个别焊缝施行钨极氩弧焊填GH188材料重熔修复。
●PCM的熔敷与充装：
◆PCM采用80.5％LiF-19.5％CaF₂共晶混合物，其熔点为1042K。步骤为：(1)PCM的物理混合。将相变材料LiF和CaF₂按质量百分比57.83％和42.17％配成一定重量的混合物，经机械搅拌尽可能均匀。放入真空加热炉中加热熔化形成80.5％LiF-19.5％CaF₂的共晶盐。(2)PCM的充装。将共晶盐放入石墨坩锅中，在氩气保护气氛下加热至900℃熔化后直接液态注入开口容器中，然后缓慢冷却。
●PCM容器的封装与检验：
◆首先对充装了PCM的开口容器的焊接区域表面采用机械加工和手工打磨处理将药迹或其它污物处理干净。然后用与下端盖同样的方法将上端盖与内、外环、两侧焊接好。检测方法同上。