專利名稱：一種內置相變材料的蓄熱熱管的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種儲能裝置，更具體的說，涉及一種內置相變材料的具有蓄熱功能的強化換熱熱管。
背景技術：
當今社會能源和環境問題日益突出，如何高效的利用各種能源已成為亟須解決的問題。許多能源形式具有間歇性的特點，如太陽能、工業生產和生活過程中的廢熱等，在收集利用這類能源時通常會遇到能量供給和需求不平衡不同步的問題，所以具有緩沖和調和供需差異功能的熱量存儲裝置就成為此類系統的關鍵部分。傳統的熱量蓄存裝置多采用顯熱蓄熱的方式，由于蓄熱密度低，其結構龐大，而且儲能過程溫差變化大。相變材料在固液相變過程中潛熱很大而且溫度基本保持恒定，使用相變蓄熱材料可以設計出結構緊湊，體積靈巧的蓄熱裝置。較常用的相變材料主要有石蠟、熔鹽、鹽水合物等，這些相變材料的導熱系數一般都比較小，因此大多數相變蓄熱裝置的蓄熱和放熱過程十分緩慢，通常會采用添加翅片、內置金屬或石墨骨架(比如用石蠟浸潤膨脹石墨和泡沫金屬制成的復合材料可以在少量損失蓄熱能力的情況下增強換熱能力)等方式來增強換熱。
發明內容
本發明針對上述現有技術中存在的技術問題，提供一種內置相變材料的蓄熱熱管，克服了蓄熱材料導熱性能差的技術缺陷，利用氣液相變工質高效傳遞熱量，提供一種蓄、放熱速率快并且能夠同時進行的裝置。為達到上述目的，本發明所采用的技術方案如下—種內置相變材料的蓄熱熱管，包括熱管殼體，其特征在于，所述熱管豎直放置時由下往上依次分為加熱段、蓄熱段和冷卻段，所述蓄熱段內部容納有由相變蓄熱單元堆積而成的蓄熱單元填充床，所述蓄熱單元由外殼和外殼內部的相變材料組成，所述蓄熱單元被由金屬網制作而成的蓄熱單元填充床架包裹、分隔和束縛；在所述蓄熱單元填充床和冷卻段之間安裝布液器，使從冷卻段冷凝下落的液體均勻的灑落在蓄熱單元填充床上；在所述熱管殼體內填充熱管工質，所述熱管工質將所述蓄熱單元填充床的一部分淹沒，所述熱管工質氣液相變在各段傳遞熱量，蓄熱單元填充床內蓄熱單元固液相變蓄放熱量。所述蓄熱單元為球狀的蓄熱球。所述蓄熱單元的外殼與內部相變材料根據具體使用的溫度和壓力來確定。所述蓄熱單元外殼內除相變材料外還留有少量空隙，防止相變材料相變時由于體積變化而引起外殼膨脹破壞所述蓄熱球體直徑越小，單個蓄熱球的換熱熱阻越小，蓄熱球數量越多，總的換熱面積也越大，蓄、放熱的速率也就越快。
由于要維持蓄熱單元按照一定的規律擺列，以及使蓄熱單元填充床內留有氣、液通道，采用金屬網制作蓄熱單元的填充床支架。所述金屬網的網孔較大，但又小于蓄熱單元的尺寸，以起到支撐和束縛蓄熱單元的作用。所述布液器安裝在蓄熱段內靠近冷凝段的位置，它可以分布從冷卻段流下的液體工質，使其均勻灑落在蓄熱單元填料床上。所述的布液器由多孔的金屬板制成，并且在布液器中心留有蒸汽的通道。本發明實際是在重力式熱管加熱段和冷卻段之間增加一個蓄熱段，使熱管具有蓄熱的能力。氣液相變過程具有很強的換熱能力，所以克服了一般相變蓄熱裝置換熱能力差，充放熱慢的缺陷。本發明蓄熱熱管的工作原理本發明的蓄熱熱管需要豎直放置，依靠重力作為液體工質回流的動力。蓄熱階段，加熱段的液體受熱蒸發使該部位氣壓升高從而驅動蒸汽向 氣壓較小部位運動，有一部分蒸汽在蓄熱段向蓄熱單元放熱冷凝(蓄熱材料受熱融化)，另一部分上升到冷卻段后凝結放熱(充放熱同時進行時)；凝結的液體下流并經過布液器后灑落到填充床，最后和加熱段液體混合。在放熱階段，加熱段熱源停歇或微弱，蓄熱單元內液態的相變材料固化放熱，并通過熱管工質將熱量傳遞給冷卻段。為保證在放熱階段熱管工質能夠在蓄熱段和冷卻段傳遞熱量，熱管內填充的工質的要淹沒一部分蓄熱單元。從工作溫度上區分，加熱段溫度最高，冷卻段溫度最低，蓄熱段溫度在兩者之間。蒸汽運動的動力是各段因溫度的不同而造成的飽和壓差，冷凝液體依靠重力回流。在加熱熱源波動的過程中蓄熱段起到了緩沖的作用，它蓄存熱源的多余熱量，并在熱源停歇或者微弱的時候向冷卻段放熱，使冷卻段能持續的獲得熱量，可以顯著減小熱源波動的不利影響。蓄熱單元蓄熱過程所吸收的熱量包括三部分未到達相變點之前吸收的顯熱，相變過程吸收的潛熱，相變完成之后液體溫度上升所需的顯熱，而相變潛熱的量最大。蓄熱材料相變的熱量來源主要是蒸汽在蓄熱單元外表面蒸汽的凝結放熱以及工質的對流換熱。蓄熱單元凝固釋放的熱量由其外表面的工質對流、蒸發帶走。本發明提供了一種新型的蓄熱換熱裝置，它利用固液相變來儲存和釋放熱量，利用氣液相變在高溫端，中溫蓄熱段，低溫段進行熱量交換，蓄熱單元和熱管工質的配合提高了蓄熱段的換熱能力，克服了一般蓄熱裝置蓄、放熱速率低的缺點。其優點是體積小，充放熱快，可以充放熱同時進行，尤其適合于利用間歇性的熱源，在利用太陽能工業余熱廢熱方面具有一定的開發前景。
圖I為本發明所公開的內置相變材料的蓄熱熱管的結構示意圖；圖2為本發明所公開的內置相變材料的蓄熱熱管的外觀圖；圖3為本發明所公開的布液器示意圖；圖4為本發明所公開的內置相變材料的蓄熱熱管的剖視圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明所提供的技術方案做進一步詳細的闡述。圖I、圖2所示，本發明的蓄熱熱管的組成部分包括外部的殼體，熱管的殼體分為三部分，加熱段I、蓄熱段2、冷卻段3。加熱段和冷卻段的端部分別焊接有端蓋，冷卻段的端蓋上還留有填充工質和密封需要的封頭7。蓄熱段內部有一定的空間，以容納一定的蓄熱材料。由于所設計的熱管是重力式熱管，所以熱管使用時需要豎直放置，加熱段在下，冷卻段在上。液體工質回流到加熱段，受熱后蒸發汽化，蒸汽在飽和壓差作用下上升，蓄熱段則既有蒸發也有冷凝，冷卻段氣體冷卻凝結，凝結液沿管壁在重力作用下回流。本發明的蓄熱熱管的組成部分還包括蓄熱段2內的由相變蓄熱球4按照一定的規律堆積而成的蓄熱球填充床，所有的蓄熱球4被由金屬網制作而成的蓄熱球填充床架5包裹、分隔和束縛，使蓄熱球4束縛在一定的空間內，并且留下合適的氣液通道。本實施例中的蓄熱單元選用球狀的蓄熱球，也可根據實際需要采用其他形狀。圖3所示，在冷卻段3和蓄熱段2的接口處，從上面流下來的液體會集中下落在接口的附近，經過布液器6后，均勻的灑落在蓄熱球填充床上，布液器6的中間開有小孔，作為蒸汽向上運動的通道。 蓄熱球填充床使用的蓄熱球4由外殼和包裹在其中的相變材料構成，在球體內部還留有少量的空氣，為相變發生時體積變化預留空間。根據實際工作壓力，工作溫度等條件的需求可以選取不同的外殼材質、相變材料的蓄熱球。本實施例中蓄熱球4的外徑25_。蓄熱球內部相變材料為石蠟，相變溫度52°C。熱管工質要有合適的填充量，要淹沒一部分蓄熱球4。加工的過程如下首先機械加工或直接購買所需的熱管殼體、端蓋、金屬網蓄熱球等；將熱管殼體、端蓋、金屬網、蓄熱球進行除油除銹的前處理，然后烘干；之后進入焊接和安裝的環節，包括氬弧焊，焊口打磨，圖4所示，首先將加熱段I和冷卻段3的外殼管與端蓋焊接，焊接焊縫8、13，之后將蓄熱段2的下端蓋與蓄熱段外殼管焊接，焊接焊縫12，并將加熱段I與蓄熱段2焊接，焊接焊縫11 ；將冷卻段3管殼與蓄熱段2的上端蓋焊接，焊接焊縫10 ；冷卻之后將金屬網和蓄熱球按一定的位置次序放置在蓄熱段內，形成蓄熱球填充床，然后安裝布液器，最后將熱管的蓄熱段管殼與蓄熱段的上端蓋焊接，焊接焊縫9，最終完成制作；填充熱管工質后，對熱管進行烘烤，使內部的空氣排出，最后將封頭7焊死。以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1.一種內置相變材料的蓄熱熱管，包括熱管殼體，其特征在于，所述熱管豎直放置時由下往上依次分為加熱段、蓄熱段和冷卻段，所述蓄熱段內部容納有由相變蓄熱單元堆積而成的蓄熱單元填充床，所述蓄熱單元由外殼和外殼內部的相變材料組成，所述蓄熱單元被由金屬網制作而成的蓄熱單元填充床架包裹、分隔和束縛；在所述蓄熱單元填充床和冷卻段之間安裝布液器，使從冷卻段冷凝下落的液體均勻的灑落在蓄熱單元填充床上；在所述熱管殼體內填充熱管工質，所述熱管工質將所述蓄熱單元填充床的一部分淹沒，所述熱管工質氣液相變在各段傳遞熱量，蓄熱單元填充床內蓄熱單元固液相變蓄放熱量。
2.根據權利要求I所述的內置相變材料的蓄熱熱管，其特征在于，所述蓄熱單元為球狀的蓄熱球。
3.根據權利要求I或2所述的內置相變材料的蓄熱熱管，其特征在于，所述蓄熱單元的外殼與內部相變材料根據具體使用的溫度和壓力來確定。
4.根據權利要求I所述的內置相變材料的蓄熱熱管，其特征在于，所述蓄熱單元外殼內除相變材料外還留有少量空隙，防止相變材料相變時由于體積變化而引起外殼膨脹破壞。
5.根據權利要求I所述的內置相變材料的蓄熱熱管，其特征在于，所述蓄熱單元填充床架的金屬網孔小于所述蓄熱單元的外徑，以起到支撐和束縛蓄熱單元的作用。
6.根據權利要求I所述的內置相變材料的蓄熱熱管，其特征在于，所述布液器由多孔金屬板制成，并在中心留有蒸汽通孔。
7.根據權利要求I所述的內置相變材料的蓄熱熱管，其特征在于，所述冷卻段端蓋上留有填充熱管工質和密封需要的封頭。
全文摘要
本發明公開了一種內置相變材料的蓄熱熱管，在重力式熱管中添設蓄熱段，并在蓄熱段內置蓄熱單元填充床，通過蓄熱材料固液相變可存儲釋放熱量，通過熱管工質的氣液相變在蓄熱熱管各段之間高效傳遞熱量。蓄熱單元填充床結構簡單，可以顯著增加蓄熱材料與熱管工質的換熱面積，減小熱阻，從而提高蓄、放熱的速率。本發明所公開的蓄熱熱管，充放熱速度快，充放熱可同時進行，適合于間歇性與波動性的熱源，在利用太陽能和回收工業余熱廢熱方面具有一定的開發應用前景。
文檔編號F28D15/02GK102967162SQ20121044804
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月9日 優先權日2012年11月9日
發明者高澤世, 吳慧英, 李超 申請人:上海交通大學