熱超導相變儲能換熱器的製作方法

2023-06-08 00:03:46

本發明涉及一種新型熱超導相變儲能散熱裝置，屬於新型能源、節能環保領域，用於多種品位熱能的儲存和再利用。

技術背景

近年來，可再生能源（太陽能、風能、地熱能、生物質能等）利用、廢熱餘熱回收利用等越來越受到世界各國的重視和推廣，但是這些能源技術的應用特點，迫切需要開發設計高效率、低成本的儲能裝置，用來調整熱能供應與用戶端之間的不一致，熱能的貯存及釋放是極為關鍵的環節。

由於太陽能、風能、生物質能等可再生新能源固有的不穩定性或不連續性，其規模化發展勢必會對整個系統的安全運行帶來顯著影響，所以必須有儲能技術作為支撐。儲能技術可以實現能源的平穩輸出，很大程度上緩解了新能源應用過程的波動性和隨機性的問題。

儲能技術中，早期利用相變材料(Phase Change Materials, PCM) 進行儲熱，PCM在溶化過程中以潛熱的形式吸收和儲存熱能，能夠在熱源的熱量有效散發到周圍空氣之前將其及時移除和儲存。從這個意義上來說，PCM充當了能量緩衝區的角色。但因其導熱性較差的原因，其發展受到限制。利用熱超管傳輸能量和填充金屬絲網或高孔隙率金屬泡沫相變儲能材料為儲能介質，具有吸收能量容量大、熱傳導性能好等優點，是一種發展潛力較大的儲能技術。基於上述特性，這種結合熱超導技術和高性能儲能材料的能源管理技術，非常適用於廣泛存在的具有周期性或脈衝性特點的能源利用系統。

實現低級不穩定熱源的有效利用，主要問題為熱源的輸入和輸出控制，熱源出現質或量的周期性波動或不穩定運行時產生過多或過少熱量，過多的熱量將導致用戶（熱阱）溫度過高（過低），進而影響系統運行的可靠性和安全性，有效消除波動熱源過剩或虧缺熱量和用戶端（熱阱）需求的變化是一項非常重要而有意義的工作。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種具有熱容大、儲熱速率快、可逆性強、使用壽命長、環境穩定性好的熱超導相變儲能換熱器。

技術解決方案：

本發明包括：熱超導管、儲能材料容器，保溫外殼，所述保溫外殼中部設有中心孔，所述熱超導管包括；吸熱翅片組、相變材料容器和散熱翅片組，散熱翅片組焊接於熱超導管的上端；儲能材料容器置於保溫外殼內，並沿中心孔焊接於熱超導管中部，與熱超導管之間形成密閉空間；吸熱翅片組焊接於熱超導管的下端；相變材料容器腔體間設置金屬絲網或大孔徑泡沫金屬，保溫外殼上下頂蓋分別設置充裝管，用於充入相變儲能材料和放出更換儲能材料。

所述熱超導管由內壁設有毛細結構的封閉金屬管，及在真空狀態下充入一定量的工作流體製成，熱量從高溫端到低溫端的傳遞依靠充入的工作流體的蒸發和冷凝來實現，工作流體依靠毛細結構產生的毛細力來傳輸。

本發明主要具有以下特點：

1．本發明為儲能與換熱單元，根據應用領域需要，任意組合儲能換熱單元數，集成氣-氣、氣-液、液-液加熱或冷卻裝置；

2．相變儲能材料，成本低廉，可靠性好，無毒無汙染，環境友好，使用溫度範圍寬，可以組合不同溫度的相變材料，平衡熱源溫度大幅波動；

3．適合於間歇式或波動熱源，既能調節溫度，也能調節能量輸出；

4．儲能速度快，效率高，容量大；

5．相變儲能材料和熱超導裝置，溫度適用範圍廣，可在30℃-150 ℃範圍內使用，可廣泛應用於低溫餘熱回收、太陽能採暖、低溫太陽能熱發電、設施農業加溫等領域；

6、裝置可以雙向傳熱和儲熱，當高溫熱源變為低溫時，儲能單元也可以向熱源端輸出熱量，可用於恆溫環境要求應用。

發明的創新點

1、吸熱-儲熱-散熱一體單元：本發明裝置利用熱超導管的特性，巧妙設計能量吸收、相變儲能和散熱三段為一體，形成一個整體的超導換熱儲能裝置。熱超導管貫穿於裝置的吸熱段、儲熱段和散熱段，通過相變儲能材料調節使用溫度和熱流量，實現過程中不穩定熱源吸收到均勻穩定輸出。

2、能量利用效率高：熱超導管的超低熱阻，使得垂直方向熱傳導效率極高，溫差損失很小；軸向熱超導管結合徑向金屬絲網強化傳熱，能量儲存和釋放損失非常小，裝置整體能量利用效率很高。

3、縱向熱超導性：開發的熱超導管有效導熱係數達5000-20000 W/m·K，任何材料無法達到。

4、超級儲能材料：相變儲能材料，儲能量大，熱超導管與金屬絲網組合，彌補該類材料導熱係數小的缺點，整個儲能單元溫度場均勻分布，熱量儲存和釋放速率快。

5、低溫適用性：開發的熱超導管與相變材料組合，最佳相變材料溫度30℃-250 ℃之間，非常適合於低溫熱源的再利用。

6、散熱速率可控：根據應用場合對加熱溫度和速率的要求，儲能過程可以將不穩定熱源所產生的熱量有效地吸收和儲存，完全可以控制裝置的散熱速率及輸出溫度。

附圖說明

圖1為本發明裝置示意圖；

圖2 為圖1的剖面圖；

圖3 為圖1的一種實施方式圖；

圖4 為圖3的剖面圖；

圖5 為圖1的第二種實施方式圖；

圖6 為圖5的剖面圖；

圖7 為圖1的第三種實施方式圖；

圖8 為圖7的剖面圖。

具體實施方式：

熱超導相變儲能換熱器包括熱超導管1、散熱翅片組2、金屬外殼容器3、相變儲能材料4、金屬絲網5、吸熱翅片組10以儲能材料容器3外的保溫外殼9。以潛熱較高的固-液相變材料作為儲能材料，具有使用溫度範圍廣、儲熱能力大、使用壽命長、成本低、無毒無害無汙染、釋放能量密度大且可控制熱量儲放等特點。

熱超導管1沿中心貫穿於散熱翅片組2、相變材料容器3和吸熱翅片組10。散熱翅片組2焊接於熱超導管1的上端；儲能材料容器3沿中心孔焊接於熱超導管1中部，與熱超導管1之間形成密閉空間；吸熱翅片組10焊接於熱超導管1的下端。相變材料容器3腔體間設置金屬絲網5（或大孔徑泡沫金屬）強化傳熱元件，儲能材料容器3上的保溫外殼9上、下頂蓋分別設置充裝管11，用於充入相變儲能材料4和放出更換儲能材料。

熱超導管1是由內壁設有毛細結構6的封閉金屬管，在真空狀態下充入一定量的液體工質7而製成。熱量從高溫端到低溫端的傳遞依靠充入的液體工質7的蒸發和冷凝來實現，液相工質7依靠毛細結構產生的毛細力來傳輸。裝置具有將熱量從高溫到低溫雙向傳遞的特點。

熱超導相變儲能換熱器吸熱端和散熱端，根據應用領域不同，可以設計成光滑管面，也可以焊接翅片組，增加傳熱面積和強化傳熱。

熱超導相變儲能換熱器的工作原理是：當不穩定熱源流經熱超導管1下部的吸熱段時，管外翅片組10吸收熱量傳導給熱超導管1中的液體工質7蒸發成為氣相工質8，在氣相通道內流向儲能單元熱管段和散熱端，部分能量儲存於相變儲能材料4中，部分在散熱端2用於加熱流經氣體或液體。在儲能單元熱管段和散熱端冷凝的液體在熱管內毛細力的作用下，返回加熱段。

當熱源的能量大於散熱端輸出能量，多餘部分通過熱超導管傳輸給相變儲能材料，儲存起來；當熱源的能量小於散熱端輸出能量，不足部分通過熱超導管由相變儲能材料輸出到散熱端，實現能量平衡調節使用。

熱超導管1將熱量傳輸給與之接觸的相變儲能材料4，均勻設置於儲能材料中的金屬絲網5或大孔隙率金屬泡沫大大增強熱流在材料中的傳導速率，彌補相變儲能材料導熱係數小的缺點，整個儲能單元內溫度場均勻分布，能量儲存大，超導速率，儲存和釋放速率快。儲能單元的儲能量主要由相變材料的相變潛熱決定。

當發明裝置的散熱端設定控制溫度,而加熱段熱源溫度波動不穩定，固體儲能裝置自動平衡溫度和能量輸出與輸入。當加熱段溫度過高時，熱量將快速存儲於相變儲能材料中，為散熱端提供過熱保護作用；當加熱段溫度變低或熱量供給不足時，相變儲能材料向散熱端輸出熱量，使其溫度和熱流波動控制在一定範圍，平衡輸入和輸出的變化。

本發明針對工業加工過程餘熱、可再生能源（太陽能、風能、地熱能等）、生物質能源、空氣能等用於低溫發電、物料烘乾乾燥、鍋爐、採暖供熱等存在的溫度和熱流量隨時間變化而產生的不連續性和不穩定性，開發設計熱超導相變儲能換熱裝置。該發明整合熱超導傳熱和大容量相變材料技術，實現快速存儲和釋放以及超大容量存儲，提高可再生能源和餘熱的利用效率和平衡使用。

裝置設計（用於太陽能中高溫乾燥的熱超導相變儲能換熱器）：

儲能器外形尺寸：φ200x400mm，主要殼體材料：AL6063；外加高性能保溫材料；

儲能材料：BT-XBL70石蠟相變儲能型材；

熱超導管：φ20x2300mm，主要材料：C1100或AL6063，其中：

加熱段尺寸：φ20x240mm，翅片：30-φ70mm；

集熱段尺寸：φ20x1660mm，裸管無翅片；

技術性能參數：

裝置總儲能量：2.5-5.0GJ

熱源溫度：50-150 ℃

縱嚮導熱係數：5000-20000 W/m·K

儲熱性能衰減：0%；

使用溫度範圍：35-120 ℃；

加熱速率：200~1000W@空氣/單體傳熱單元。

2# 裝置設計（用於間斷性餘熱回收加熱流體的儲能加熱器）：

儲能器外形尺寸：φ150x400mm，主要殼體材料：SUS304；外加高性能保溫材料；

儲能材料：BT-XBY150結晶水鹽類；

熱超導管：φ25x1600mm，主要材料：SUS316L，其中：

散熱段尺寸：φ25x200mm，無翅片；

吸熱段尺寸：φ25x1000mm，翅片：100- φ50mm；

技術性能參數：

裝置總儲能量：6.0GJ

熱源溫度：100-350 ℃

縱嚮導熱係數：5000-20000 W/m K

儲熱性能衰減：0%；

使用溫度範圍：80-300 ℃；

加熱速率：600~5000W@水/儲熱換熱單元。