一種微熱管陣列板相變蓄放熱方法與系統與流程

本發明涉及熱量高效存儲、釋放與交換系統，具體的涉及一種高效相變蓄能系統。

背景技術：

21世紀的今天，能源的利用和開發成為了全球的熱點，能源的充分利用儼然成為各行各業致力研究的方向。節能和提高能源的利用率是目前最為熱門的話題。為減少碳的排放、保護環境，提高能源利用率已成為當今國際社會需要解決的重要課題，其中蓄能技術的開發與利用又是提高能源利用率的關鍵手段，主要應用于太陽能熱儲存、電力“移峰填谷”、工業廢熱和余熱的回收等領域。

相變蓄熱以其蓄熱密度大、溫度變化小、容易控制等優點，日益成為合理利用能源、提高能源利用率、減小環境污染的首要選擇。相變材料與蓄熱器結構是目前蓄熱技術研究的兩個主要方面，只有將兩方面有機的結合才能達到理想的蓄熱效果。蓄熱系統中，蓄熱器結構是相變儲能技術的骨架，目前絕大多數的蓄熱器主要以盤管為主要換熱結構，不但體積大、阻力大、成本高，同時對換熱器換熱性能的提高也不是很明顯，尤其是蓄放熱過程不僅降低熱能的品位，即蓄熱過程需要高溫熱源，放熱過程則大幅降低使用溫度，而且蓄放熱過程溫度很不穩定，存在蓄放熱功率低、速度慢、蓄放熱溫差巨大、無法直接電加熱蓄熱等等固有缺點，所以無論國內國外相變蓄熱器一直無法大規模產業化。優化蓄熱器的結構是本領域一直在嘗試和探索的方向。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種微熱管陣列板相變蓄熱系統，它能有效地解決現有盤管式換熱器改造的蓄熱器體積大、管路阻力大、制造成本高、尤其是由于相變材料導熱性能差與流動性能差造成的與蓄放熱回路之間的熱阻極大、蓄放熱效果不理想、難以在產業上推廣應用的問題，實現低溫差、大功率的蓄放熱，可以直接應用于太陽能蓄熱、余熱利用、低谷電儲熱等新能源與節能領域的技術問題，同時最大限度保持所蓄熱能的使用品位、大放熱功率，以及解決供熱設施需要占用龐大地面空間的問題。

本發明的目的是這樣實現的：

一種微熱管陣列板相變蓄放熱方法，其特征在于：所述微熱管陣列板設置于相變蓄熱材料內；所述微熱管陣列板周圍的相變蓄熱材料通過與微熱管陣列板本體或者微熱管陣列板上的翅片直接導熱換熱；所述微熱管陣列板的部分表面分別通過蓄熱換熱器或者放熱換熱器進行換熱；所述蓄熱換熱器是加熱裝置或者是與熱源連接的介質循環回路的換熱部分；所述放熱換熱器是與冷源連接的介質循環回路的換熱部分，由此實現直接加熱與冷源回路或者熱源回路與冷源回路對相變蓄熱材料進行快速蓄熱與放熱。

優選的，相變材料的任何一點與所述微熱管陣列板本體或者微熱管陣列板上的翅片的最短距離為1～10mm。

優選的所述加熱裝置是電加熱器。

采用上述方法的相變蓄熱系統，其特征在于：包括微熱管陣列板蓄熱器，換熱器，分別連接用戶側、熱源與換熱器的管路以及連接換熱器與蓄熱器的管路，所述用戶側與熱源通過換熱器與蓄熱器發生熱交換，

其中所述蓄熱器的內部排列有一個或一個以上蓄熱單元，每個蓄熱單元包括前后并排設置的兩組微熱管陣列板以及位于表面的翅片，所述微熱管陣列板兩端分別為取熱端和加熱端，且所述熱源回路和冷源回路在加熱端與取熱端的兩組微熱管陣列板之間設置為與微熱管陣列板緊貼的換熱水管，所述蓄熱器內部空隙處填充相變蓄熱材料；

當處于蓄熱工況時，熱源回路從換熱器獲得熱源的熱量并傳遞至加熱端的換熱水管，每個蓄熱單元的微熱管陣列板把熱量從加熱端向上傳遞，并由蓄熱材料將熱量儲存起來；當處于取熱工況時，微熱管陣列板將熱量從蓄熱材料中傳遞到取熱端，并通過換熱水管將熱量由冷源回路帶走通過換熱器傳遞給用戶側。

優選的，當處于蓄熱工況時，換熱器通過第一輸入管路連接第一四通閥后再連通加熱端的換熱水管，然后返回第一四通閥并再連接與換熱器連通的第一輸出管路；當處于取熱工況時，第一輸入管路通過第一四通閥后連通取熱端的換熱水管，然后返回第一四通閥并再連接與換熱器連通的第一輸出管路。

優選的，所述換熱器通過第二四通閥連接用戶側和熱源；所述換熱器連接第二四通閥的第二輸出管路進入第二四通閥后分成兩路，分別與用戶側和熱源連通并返回第二四通閥，且均再連通第二四通閥通往換熱器的第二輸入管路，其中與用戶側連通的管路形成用戶側放熱環路，與熱源連通的管路形成熱源充熱環路。

另一種采用前述方法的相變蓄熱系統，其特征在于：包括微熱管陣列板蓄熱器，換熱器，連接用戶側與換熱器的管路以及連接換熱器與蓄熱器的管路，所述用戶側通過換熱器與蓄熱器發生熱交換，

其中所述蓄熱器的內部排列有一個或一個以上蓄熱單元，每個蓄熱單元包括前后并排設置的兩組微熱管陣列板以及位于表面的翅片，所述微熱管陣列板兩端分別為取熱端和加熱端，且所述加熱端設置有加熱裝置，所述冷源回路在取熱端的兩組微熱管陣列板之間設置為與微熱管陣列板緊貼的換熱水管，所述蓄熱器內部空隙處填充相變蓄熱材料；

當處于蓄熱工況時，每個蓄熱單元的微熱管陣列板把熱量從加熱端的加熱裝置向上傳遞，并由蓄熱材料將熱量儲存起來；當處于取熱工況時，微熱管陣列板將熱量從蓄熱材料中傳遞到取熱端，并通過換熱水管將熱量由冷源回路帶走通過換熱器傳遞給用戶側。

優選的，所述加熱端的加熱裝置采用電加熱式，加熱端設置有直接或者間接式電加熱器，或者在相變材料容器的底部的外部設置有分體式電加熱器或電磁加熱器，所述電加熱器或電磁加熱器與相變材料容器底板貼合并加熱容器底板后再通過相變材料或者與所述相變材料容器底板接觸的微熱管陣列換熱。

優選的，當處于蓄熱工況時，加熱端的電加熱器加熱；當處于取熱工況時，第一輸入管路通過第一四通閥后連通取熱端的換熱水管，然后返回第一四通閥并再連接連通換熱器的第一輸出管路。

優選的所述微熱管陣列板內孔的等效直徑為0.3～3.5mm。

優選的所述散熱翅片為鋁翅片，翅高為5mm～100mm，翅厚為0.1～1.2mm，翅間間距為4～30mm。

優選的所述蓄熱器外部有保溫層的箱體。

所述箱體進一步優選為長方體或者柱形容器。

本發明的技術效果：

本發明的目的在于提供一種微熱管陣列板相變蓄熱方法和系統，它能有效地解決現有盤管式換熱器改造的蓄熱器體積大、管路阻力大、制造成本高、尤其是由于相變材料導熱性能差與流動性能差造成的與蓄放熱回路之間的熱阻極大、蓄放熱效果不理想、無法直接利用電加熱蓄熱的問題，實現低溫差、大功率的蓄放熱，可以直接應用于太陽能蓄熱、余熱利用、低谷電儲熱等新能源與節能領域的技術問題，同時最大限度保持所蓄熱能的使用品位、大放熱功率，且不需要鍋爐等輔助加熱設備就可實現電能的直接蓄熱，不僅如此，本發明的產品還可方便地進行串聯、并聯組裝，從而形成各種規模的蓄熱集成產品。

本發明的相變蓄放熱系統優選的由三個部分構成：

(1)微熱管陣列板蓄熱器

該蓄熱器為矩形容器，外殼為鋁板制作的矩形容器加聚氨酯發泡保溫，裝置內部由蓄熱單元陣列而成，采用如石蠟等作為相變蓄熱材料，蓄熱單元是基于微熱管陣列板這種高性能傳熱材料設計而成，蓄熱單元優選的由兩個平板熱管、分別位于兩個平板熱管頂端的取熱端和底端的加熱端內部的兩個換熱水管和三組翅片組成，微熱管陣列板內部包括換熱工質，通過換熱工質的遇熱蒸發吸熱、遇冷冷凝放熱的相變實現由下而上的快速傳遞熱量。蓄熱器根據蓄熱時蓄熱換熱器熱源的不同可分為單一熱水換熱式、單一電加熱式、電加熱與熱水換熱混合式等類型，其主要區別在于下部，電加熱式的在下部扁管處或相變材料外部設有電加熱器，熱水換熱式在下部扁管處有換熱水管。

由于蓄熱器的核心部件——微陣列平板熱管的傳熱特性通常為由下向上，所以該蓄熱器分為蓄熱和取熱兩種工況。

蓄熱工況：加熱端為底部的扁管的換熱水管或者底部的加熱裝置，由平板熱管把熱量傳遞到蓄熱段，再通過翅片把熱量換給相變蓄熱材料，達到蓄熱的目的。其中，加熱端可以設置有直接或者間接式電加熱器，或在相變材料容器的底部的外部設置可以有分體式電加熱器或電磁加熱器，所述電加熱器或電磁加熱器與相變材料容器底板貼合并加熱容器底板后再通過相變材料或者與所述相變材料容器底板接觸的微熱管陣列換熱然后通過微熱管陣列與所述容器內其它相變材料換熱的間接式電加熱蓄熱方法，可以實現所述電加熱器或電磁加熱器與相變材料箱體的分體和間接接觸，既保證所述容器底部沒有因為開孔有泄露風險，同時還保證所述電加熱器或電磁加熱器的維護。

取熱工況：取熱時，熱管通過翅片與相變蓄熱材料換熱，并把熱量向上傳遞到上部的放熱換熱器的扁管，載熱劑流(水)經上部的扁管將熱量帶走，達到取熱的目的。

(2)熱運輸管路

熱運輸管路連通換熱器與用戶和熱源以及換熱器與蓄熱器，主要功能是高效的運輸熱量，優選的以軟化處理過的水做載熱劑，其主要由管道、水泵、閥門等組成，分為蓄熱和取熱兩種工況進行傳輸。

(3)換熱器

優選由板式換熱器構成，可以從市場訂購，其功率、尺寸根據具體情況由用戶要求而定。

本發明的系統為封閉系統，其充放熱均通過換熱器與外界進行熱量交換，當熱源(工廠廢熱、太陽能等)有多余熱量產生而用戶消耗不完時，系統進入蓄熱階段，熱源通過熱源充熱環路將熱量傳給換熱器，然后換熱器再通過系統放熱環路的輸入管路將熱量供給蓄熱器，從而使熱量儲存起來，或通過對蓄熱器的取熱端進行加熱而將熱量儲存起來；當外界熱源不能滿足用戶需求時(比如太陽能系統夜間需要熱量時)，系統進入放熱階段，熱量通過系統放熱環路的輸出管路將熱量傳至換熱器，然后將熱量通過用戶側放熱環路輸送給用戶側，從而使得用戶側溫度升高滿足加熱需要。各環路工作的開啟和關閉通過各四通閥結合實際需求控制。本發明將一種新型微熱管陣列板相變蓄熱器作為主要的蓄熱核心元件，利用一套簡單的環路從而實現了對廢熱及太陽能等間斷性熱源進行熱量儲存，并對儲存的熱量在需要利用時進行快速釋放，從而達到熱量的儲存和釋放。根據不同的情況和需求，也可將熱量來源設置為蓄熱器的加熱裝置，例如電加熱帶，底部間接加熱器等。

本發明在蓄熱器內將微型熱管作為傳熱導體，代替常規的盤管式換熱，較普通的盤管式蓄熱換熱器相比，換熱效率更高，蓄熱與取熱更快，而且大大減小了載熱劑的流動阻力，結構上比較簡單，滿足同等換熱量下的費用也大大降低，使得裝置更加緊湊，且在采用由微熱管組成的換熱平板作為傳熱核心部件、采用石蠟或者其它固‐液相變溫度介于0℃—120℃且潛熱較大以及安全可靠的材料作為相變蓄熱材料后，蓄、放熱效率達到96％左右。在采用納米技術對相變蓄熱材料石蠟進行改性后，蓄、放熱性能進一步得到保證；本發明采用散熱翅片后，換熱面積大幅增大，換熱效果得到增強；采用石蠟作為相變材料，石蠟融解熱大、性能穩定、無腐蝕性且在有機PCM中價格最低，符合經濟性要求。

本發明利用新型微熱管陣列板相變蓄熱器作為相變蓄熱系統的傳熱核心部件，并通過增加換熱器和包括四通閥的充放熱環路，將系統內部充放熱循環與外界用戶和熱源循環分隔開，利用換熱器完成兩者間的熱量儲存和釋放，在系統結構和換熱過程上改善了換蓄熱系統的換熱傳熱方式，從而使得系統傳熱蓄熱效能提高且能夠以不同形式組合利用，滿足不同形式對熱量的高效儲存和利用。

附圖說明

圖1為實施例1的蓄熱工況整體示意圖；

圖2為實施例1的放熱工況整體示意圖；

圖3為實施例1的蓄熱器立體示意圖；

圖4為實施例1的蓄熱器正視示意圖；

圖5為實施例1的蓄熱單元的端部示意圖；

圖6為實施例2的蓄熱單元的加熱端示意圖；

圖7為實施例3的蓄熱單元的加熱端示意圖；

圖8為實施例3的放熱工況整體示意圖；

圖中附圖標記列示如下：

1-蓄熱器，2-第一四通閥，3-換熱器，4-第二四通閥，5-第一輸入管路，6-第一輸出管路，7-用戶側放熱環路，8-熱源充熱環路，9-用戶側，10-熱源，11-膨脹水箱，12-循環泵，13-取熱端，14-加熱端，15-蓄熱單元，16-外殼，17-微熱管陣列板，18-換熱水管；19-電加熱帶。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

實施例1

本實施例的加熱端為熱水換熱式。整體由圖1和圖2所示，包括微熱管陣列板蓄熱器1、換熱器3，以及連接用戶側9、熱源10與換熱器3、蓄熱器1的管路和切換管路連接關系的第一四通閥2和第二四通閥4，所述用戶側9與熱源10通過換熱器3與蓄熱器1發生熱交換。

所述蓄熱器1整體為1.1×1.6×0.4的矩形容器，外殼16為鋁板制作的矩形容器加聚氨酯發泡保溫，其內部由蓄熱單元15按10×9陣列而成，如圖3、4所示。所述蓄熱單元15是基于微熱管陣列板17這種高性能傳熱材料設計而成，每個蓄熱單元15由前后并排設置的兩個微熱管陣列板17、兩個換熱水管18和位于表面的三組翅片組成，所述微熱管陣列板17內部包括換熱工質，兩個換熱水管18分別嵌于兩組微熱管17之間的上端和下端處，在取熱端或加熱端的結構如圖5所示。所述微熱管陣列板17上端為取熱端13、下端為加熱端14，各蓄熱單元15位于上端取熱端13和下端加熱端14的換熱水管18分別串聯連通并與外部第一輸入管路5和第一輸出管路6連通，如圖3、4所示。蓄熱器1中部為蓄熱段，內部空隙處采用工業石蠟作為相變蓄熱材料。

各管路以軟化處理過的水做載熱劑。當處于蓄熱工況時，如圖1中箭頭所示，熱源10通過熱源充熱環路8不斷的向換熱器3循環輸送熱量；第一輸入管路5從換熱器3出來后通過第一四通閥2然后連通加熱端14的換熱水管18，再返回第一四通閥2并再連接連通換熱器3的第一輸出管路6。從換熱器3獲得熱量的載熱劑流經各蓄熱單元15的加熱端14時，微熱管陣列板17內部工質受熱蒸發并將熱量以蒸汽形式由下向上傳遞，并在蓄熱段將熱量傳導至石蠟蓄熱材料中儲存起來，熱量被取走的載熱劑返回換熱器3獲得熱量進行下一次蓄熱循環。當處于取熱工況時，如圖2中箭頭所示，微熱管陣列板17將熱量從蓄熱材料中傳遞到取熱端13，并通過取熱端13的換熱水管18內的載熱劑將熱量帶走，然后載熱劑通過第一四通閥并通過第一輸出管路6返回換熱器3，熱量由換熱器3通過用戶側放熱環路7傳遞給用戶側9，熱量被取走的載熱劑再進入用戶側放熱環路7并通過換熱器3進行下一次取熱循環。

實施例2

本實施例的加熱端14為電加熱與熱水混合式，如圖6所示，加熱端14的微熱管陣列板17外包裹電加熱帶19，在蓄熱工況下，電加熱帶19和載熱劑同時向蓄熱單元的蓄熱段提供熱量。其它結構和工作原理同實施例1。

實施例3

本實施例的加熱端14為單一電加熱式，僅取熱端13的微熱管陣列板17內嵌有換熱水管，加熱端14的微熱管陣列板17內無換熱水管，微熱管陣列板17外包裹電加熱帶19，加熱端14的結構如圖7所示。

本實施例的管路結構也有所不同。由于采用的單一的電加熱式，因此無需熱源和熱源充熱環路。當處于蓄熱工況時，加熱端14的電加熱帶19加熱，微熱管陣列板17內部工質受熱蒸發并將熱量以蒸汽形式由下向上傳遞，并在蓄熱段將熱量傳導至石蠟蓄熱材料中儲存起來。當處于取熱工況時，如圖8中箭頭所示，微熱管陣列板17將熱量從蓄熱材料中傳遞到取熱端13，并通過取熱端13的換熱水管18內的載熱劑將熱量帶走，然后載熱劑通過第一輸出管路6返回換熱器3，然后熱量通過換熱器3再通過用戶側放熱環路7傳遞給用戶側9，熱量被取走的載熱劑再進入用戶側放熱環路7并通過換熱器3進行下一次取熱循環。

此外，電加熱器也可設置為在相變材料容器的底部的外部設置分體式電加熱器或電磁加熱器，所述電加熱器或電磁加熱器與相變材料容器底板貼合并加熱容器底板后再通過相變材料或者與所述相變材料容器底板接觸的微熱管陣列換熱然后通過微熱管陣列與所述容器內其它相變材料換熱的間接式電加熱蓄熱方法，可以實現所述電加熱器或電磁加熱器與相變材料箱體的分體和間接接觸，既保證所述容器底部沒有因為開孔有泄露風險，同時還保證所述電加熱器或電磁加熱器的維護。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，例如蓄熱單元和微熱管陣列板排布方式和數量、翅片形狀數量、不同工質和載熱劑等的替換、管路不同的連接方式等都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。