用于儲熱系統的熱交換器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及使用一種相變材料的儲熱系統的熱交換器。
【背景技術】
[0002]聚光太陽熱技術(Concentratingthermal solar technology)在于使用太陽福射來對直接或間接地充當熱力循環中的熱源的流體進行加熱。聚光或多或少地導致高溫，使得或多或少地取得良好地熱力轉換效率。
[0003]為了使聚光太陽能裝置對于發電更具吸引力，就要求高溫儲熱系統將過剩的熱能儲存起來并且例如當光照減少時可利用這些熱能。
[0004]目前已研發了太陽能直接蒸汽發電裝置(Direct steam generat1n solarpower)，其產生的蒸汽被輸送至渦輪機并且借此發電。當產生的蒸汽流量多于標稱的渦輪機流量時，過剩量的蒸汽被儲存在儲熱系統中。當產生的蒸汽流量少于標稱的渦輪機流量，蒸汽被從儲存裝置中取出以供給渦輪機。
[0005]儲熱系統看起來尤其在意利用相變材料來儲存熱量以及將該熱量從儲存裝置中取出。此處考慮的直接儲存系統包括:管束和穿過相變材料的管，熱傳遞流體在所述管束中循環，潛熱在熱輸送流體和相變材料之間交換。管配置有翅片，以便增大交換表面區域。
[0006]因為能量以潛熱的形式儲存在相變材料中，相變材料能夠在幾乎恒定的溫度下對大量能量進行交換。這在需要儲存熱輸送流體(例如，水)的潛能時尤其重要，因為在相似的溫度下發生相變的兩種流體之間的熱交換能夠顯著增加儲存周期的效率。
[0007]相變材料所具有的缺點在于具有不良的熱傳導系數，例如在他顯3的情況下，平均的熱傳導系數為大約0.5W/mK，此值為典型的熱傳導不良材料或甚至絕熱材料。
[0008]相變材料的低的熱傳導系數是對交換器的成本和性能產生主要影響的因素，因為熱輸送流體和相變材料之間大多數熱交換的主要通過固相中的傳導進行，這意味著相變材料的最大厚度相當小以避免減小交換效率；對于似勵3而言的最大厚度為大約1mm到20mm。對于這種數量級的厚度，如果相變材料將在純態(pure state)下被使用，則交換器必須具有非常大的交換區域。
[0009]在具有相變材料的儲存系統的情況下，熱輸送流體處于高壓下。因此，出于成本價格的原因，優選地減少交換管的數量，這與大的熱交換表面區域的使用正相反。
[0010]已有的建議是，可將金屬結構散布在相變材料中以改善相變材料的熱傳導性。但是產生了熱循環下金屬結構分布穩定性的問題，并且尤其是控制相變材料基體(matrix)和熱輸送流體管之間的熱接觸的問題。
[0011]翅片被添加到管的外表面上，以便增加管和相變材料之間的熱交換區域。使用了兩種幾何結構的翅片，即，徑向延伸的翅片以及沿著管縱向延伸的翅片。
[0012]同樣已經觀察到鋼管和鋁制翅片的制造在技術上是合適的，因為確保了對在管中循環的熱輸送流體的高壓的抗性并且同時提供了比全部為鋼管和鋼翅片更低的成本價格。翅片于是被添加到管上，必須取得良好的接觸以獲得高效的熱交換。另一方面，由于使用了具有顯著不同熱膨脹系數的兩種材料，使得這兩種材料之間存在不同程度的膨脹。
[0013]此外，相變材料在相變期間的體積變化對翅片具有機械作用力。對于NaNO3，其體積變化為大約11%。
[0014]不同的膨脹效果和相變材料的體積變化可對管和翅片之間的熱接觸的穩定性以及組件的熱機械耐用性(thermomechanical durability)造成主要影響。
[0015]如上所述，存在縱向翅片，在熱交換器中應用相變材料是非常有用的，因為相變材料能夠允許在相變之后進行對相變材料的體積變化的更為簡單的補償。
[0016]管通常卷曲(crimped)在形成縱向翅片的擠制銷材(extruded aluminium)的內部。這種結構對兩種材料之間的不同的熱膨脹效果非常敏感。具有縱向翅片的管的壽命也隨之縮短。
[0017]例如，在管具有徑向翅片的情況下，所述翅片可通過橄欖切割(olive-cutting)卷曲到管上，或可徑向擠壓在管上，這些管在工作溫度方面具有限制。
[0018]安裝有徑向翅片的管，所述徑向翅片實際上圍繞管螺旋纏繞并且嵌入在管的基部中，并且這些翅片被稱為G型翅片。這種結構允許使用高的工作溫度，例如高至400-450°C，并且減小了分離的風險。另一方面，限制了翅片的外徑和管的直徑的比值，這導致使用大量的管來取得足夠的交換區域，因此成本價格很高。
【發明內容】
[0019]因此，本發明的一個目的是提供一種用于儲熱系統的熱交換器，該熱交換器提供了高溫下的機械強度并且具有比現有儲存系統更低的成本價格。
[0020]本發明的目的可通過下述的熱交換器實現，所述熱交換器包括儲液器以及至少一個插入件，至少一根安裝有翅片的管穿過所述儲液器，熱傳遞流體將在所述管內循環，所述至少一個插入件界定出用于所述管的外殼，使得安裝有翅片的管以具有間隙的方式安裝到所述外殼中，所述插入件形成提供熱傳導和熱收集的網絡。
[0021]在一個特定示例中，熱交換器的儲液器將含有相變材料，使得插入件形成的網絡能夠傳導和收集位于兩個管之間的相變材料中的熱量。
[0022]在一個示例性實施例中，插入件被構造成與多個相鄰插入件相聯合并限定用于管的外殼。
[0023]在另一示例性實施例中，每個插入件包括用于管的外殼。因此，每個插入件完全環繞管。
[0024]換言之，本發明應用了位于管之間并圍繞所述管的熱傳導元件，所述熱傳導元件增加了管和相變材料之間的熱交換區域并且增加相變材料的等價熱傳導系數。傳導元件具有大的表面面積，并且對固定至管的翅片加以延長但至少在正常工作期間不與管發生機械接觸。
[0025]此外，這些傳導元件分布遍及位于管之間的相變材料，并且傳導元件因此可被認為在相變材料內添加了離散分布的熱傳導材料。
[0026]在一個特別有趣的實例中，安裝至管的翅片是徑向的并且插入件形成縱向翅片。首先，本發明通過在管之間使用增加熱交換區域的插入件克服了徑向翅片直徑小的缺陷。其次，通過使縱向翅片與管機械地獨立，本發明補償了具有縱向翅片的管對不同膨脹的差的抵抗特性。此外，插入件對相變材料在發生相變之后的體積變化提供更為簡單的補償。
[0027]此外，因為插入件界定用于管的外罩，所以它們還形成用于管的引導器件，從而簡化了結構并降低了成本。
[0028]更有利地，管為安裝有G型翅片的管，具有極好地抵抗管和翅片之間的不同的膨脹的特性。
[0029]因為這種管的制造成本低，所以系統的成本也隨之降低。
[0030]另外，本發明的主題為一種用于儲熱系統的熱交換器，包括:殼體以及至少一根管，熱傳遞流體在所述管內循環，所述管提供有管的外表面，熱交換翅片安裝在所述外表面上，所述熱交換器還包括至少一個由導熱材料制成的圍繞所述管布置的插入件，所述插入件包括至少一個外罩以便以具有間隙的方式至少部分地容置具有翅片的所述管，所述插入部包括由導熱材料制成的分支組件，以便形成熱分布和熱收集的網絡。
[0031]優選地，分支組件包括