一種相變蓄熱裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能量存儲與釋放裝置，具體涉及的是一種通過固液相變材料進行蓄熱和換熱的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)展新型高效節(jié)能技術(shù)已成為工程熱物理領(lǐng)域的重要研究課題。在工業(yè)余熱利用過程中，發(fā)展高效蓄熱技術(shù)是解決能源需求與供給失配矛盾、提高能源利用率的重要技術(shù)途徑。目前，熱量存儲方式主要有潛熱蓄熱、顯熱蓄熱和化學(xué)反應(yīng)蓄熱三種類型。潛熱蓄熱通過相變材料(PCM)的相變過程來實現(xiàn)能量的儲存和釋放，該類型蓄熱方式因相變材料種類多、儲能密度大、開發(fā)空間大和易于運行控制等優(yōu)點而成為目前常用的蓄熱手段。然而，現(xiàn)有的潛熱蓄熱結(jié)構(gòu)大多采用的是單管或管束與相變材料在蓄熱空間內(nèi)隨機交互布置，并未從管束與相變材料在空間布局方式的角度考慮去改善蓄熱器的蓄熱、換熱能力；并且由于相變材料存在導(dǎo)熱系數(shù)低的缺點，在相變過程中，隨著相變界面由表及里的移動，固化層不斷增厚，導(dǎo)致相變材料的熱阻逐漸增加，整個蓄熱結(jié)構(gòu)的溫度均勻性差，影響了相變材料的蓄熱能力和蓄熱效率。因此，迫切需要尋求一種新型高效的潛熱蓄熱型的能量存儲與釋放裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問題:為解決現(xiàn)有的蓄熱裝置設(shè)計上存在的蓄熱器溫度均勻性差、蓄熱密度低、蓄熱效率有限等問題，本發(fā)明提供了一種通過連續(xù)分流、擾流、合流效應(yīng)使換熱管中的熱量沿著高導(dǎo)熱孔道陣列通道在整個蓄熱器空間內(nèi)快速均勻地分散、傳遞開來，以增加熱流傳遞過程中的摻混和再分配的相變蓄熱裝置，進而使整個蓄熱裝置的溫度分布更加均勻，大大提高了蓄熱裝置的蓄熱密度和蓄熱效率，使蓄熱裝置的蓄熱、放熱過程穩(wěn)定高效的進行。
[0004]技術(shù)方案:本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下:
[0005]—種相變蓄熱裝置，包括蓄熱器殼體以及置于蓄熱器殼體內(nèi)的換熱管道和相變材料，其特征在于:在所述蓄熱器殼體內(nèi)設(shè)置有多孔金屬骨架，在所述多孔金屬骨架沿軸向平行的設(shè)置有孔道陣列，所述相變材料位于所述孔道陣列的每個孔道內(nèi)，所述換熱管道沿所述多孔金屬骨架軸向間隔的設(shè)置在所述孔道陣列內(nèi)，在每個換熱管道周圍至少圍繞有一圈所述孔道，在所述換熱管道的入口設(shè)置分流裝置，在所述換熱管道的出口設(shè)置集流裝置，在所述換熱管道內(nèi)還設(shè)置有三維交叉導(dǎo)流式混沌擾流器。
[0006]所述三維交叉導(dǎo)流式混沌擾流器由延所述換熱管道軸向間隔設(shè)置的混沌單元組成，每個混純單元包括上導(dǎo)流單元和下導(dǎo)流單元，所述上導(dǎo)流單元和下導(dǎo)流單元分別由上導(dǎo)流塊和下導(dǎo)流塊組成，每個導(dǎo)流塊的導(dǎo)流平面與換熱管道軸線的夾角在45°到50°之間，上導(dǎo)流單元的上導(dǎo)流塊和下導(dǎo)流單元的下導(dǎo)流塊位于管道內(nèi)的同一側(cè)，上導(dǎo)流單元的下導(dǎo)流塊和下導(dǎo)流單元的的上導(dǎo)流塊位于管道內(nèi)的另一側(cè)，上導(dǎo)流單元的上導(dǎo)流塊的頂端側(cè)面與上導(dǎo)流單元的下導(dǎo)流塊的底面相切，下導(dǎo)流單元的下導(dǎo)流塊的頂端側(cè)面與上導(dǎo)流單元的上導(dǎo)流塊的底面相切，上導(dǎo)流單元的切面位置和下導(dǎo)流單元的切面位置都偏離管道的中心軸線，且兩個切面位置分別位于管道軸線的不同側(cè)。
[0007]所述切面位置與管道直徑的關(guān)系為:0.4彡S/W < 0.5
[0008]其中，S為切面與較近的管壁間的徑向距離，W為換熱管道的直徑。
[0009]所述導(dǎo)流塊為平板翅片，該平板翅片具有兩個直角邊和一個連接兩個直角邊的弧形邊，其中該弧形邊與管道內(nèi)壁固定。
[0010]所述多孔金屬骨架為一六棱柱結(jié)構(gòu)，六棱柱沿其軸向方向從上到下通有所述孔道陣列，所述孔道陣列形狀與布局方式為蜂巢結(jié)構(gòu)，所述相變材料與金屬骨架間對稱均勻地布置四根所述換熱管道。
[0011]所述孔道陣列的布局方式為:所述孔道陣列為平行于所述六棱柱橫截面結(jié)構(gòu)任意兩對邊的七行且對稱排列，在第二行和第六行的中間分別設(shè)置一根換熱管道，在第四行對稱的設(shè)置有兩根換熱管道，四根換熱管道形成一個菱形分布?？椎澜孛嫘螤顬榈却蟮恼呅?，換熱管道截面形狀為等大的圓形。
[0012]在所述的六邊形孔道內(nèi)沿軸向設(shè)置有燕尾型微槽道。所謂燕尾型槽道其實就是在孔道內(nèi)壁上沿孔道軸線方向間隔的設(shè)置有多個橫截面為倒梯形狀的微槽道。
[0013]所述相變材料為結(jié)晶水和鹽類或脂肪酸。
[0014]所述換熱器殼體外圈包有保溫材料。
[0015]當(dāng)孔道內(nèi)填充液態(tài)相變材料時，壁面微槽道可有效提高孔道內(nèi)相變材料和金屬壁面間的換熱水平；同時，由燕尾型槽道形成的尖角區(qū)域可看作一些外凸的肋片，將進一步增強孔道內(nèi)的換熱能力。
[0016]本發(fā)明在殼體內(nèi)設(shè)置多孔金屬骨架，多孔泡沫金屬結(jié)構(gòu)具有導(dǎo)熱性能好、比表面積大、比強度高和各向同性等優(yōu)點。另外，本發(fā)明將多孔泡沫金屬的孔道分布方式布置成類似于蜂巢結(jié)構(gòu)的分形結(jié)構(gòu)特征，由于仿蜂巢分形結(jié)構(gòu)優(yōu)良的熱質(zhì)輸運特性，此蓄熱器將具備優(yōu)良的蓄熱換熱能力。
[0017]本發(fā)明孔道陣列的橫截面形狀為等大的正六邊形，其形狀和分布方式類似于自然界中的蜂巢結(jié)構(gòu):每個孔道都是一個六邊形單元，根據(jù)幾何學(xué)中正六邊形具有“均勻密鋪”任意幾何形狀表面的特性，因此，仿蜂巢分形結(jié)構(gòu)中的各六邊形孔道有效地利用了有限的六棱柱截面面積，合理地分配了相變材料和金屬骨架間的構(gòu)成比例；另外，在均勻密鋪相同面積的前提下，正六邊形具有最小的網(wǎng)絡(luò)周長，即仿蜂巢分形金屬網(wǎng)狀通道具有最短的熱流通道總長，這一特點使得換熱管中的熱量以最快的速度和最短的途徑傳遞到周圍的相變材料中，從而使蓄熱器性能更加優(yōu)越。每個六邊形單元與其周圍六個相同的單元體分別以鄰邊平行對立布置，各單元體之間鄰邊邊距相同，中間形成了網(wǎng)狀金屬骨架，以此類推，直至孔道均勻分布于整個六棱柱截面，最后用四根圓形截面換熱管道取代適當(dāng)位置的六邊形截面孔道便得到了仿蜂巢分形結(jié)構(gòu)，這種仿蜂巢結(jié)構(gòu)具有節(jié)省材料、強度高等優(yōu)點。其中，在六邊形截面孔道中填充有相變材料，而在圓形截面換熱管道中通有換熱流體，相變材料圍繞換熱流體均勻布置大大提高了蓄熱器的蓄熱密度和蓄熱能力。由正六邊形拓?fù)涠傻姆路涑步Y(jié)構(gòu)具有數(shù)學(xué)上的分形特征，孔道與換熱管道之間形成了網(wǎng)絡(luò)狀的金屬骨架，多孔泡沫金屬骨架由于具有導(dǎo)熱性能好、比表面積大、比強度高、各向同性等優(yōu)點，可以大大強化蓄熱器的徑向傳熱能力；仿蜂巢結(jié)構(gòu)的分形金屬網(wǎng)狀骨架具有優(yōu)良的熱質(zhì)輸運特性:在仿蜂巢分形金屬網(wǎng)狀骨架中，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成地連續(xù)的分流、合流效應(yīng)使原本不在同一通道中的熱流在分叉結(jié)構(gòu)中得到了相互接觸的機會，有效地平衡了強弱熱流之間的配置，增加了熱流傳遞過程中的摻混和再分配，使得換熱管道中流體的熱量迅速均勻地在整個蓄熱結(jié)構(gòu)中傳遞、分散開來，從而更有效地被周圍孔道中的相變材料所吸收；換熱流體與相變材料之間產(chǎn)生地良好的熱量交互作用，使整個蓄熱器的溫度分布更加均勻，蓄熱密度大大提高，在相同的換熱面積下相變材料可吸收更多的熱量，從而實現(xiàn)蓄熱器高效的儲能目的。
[0018]金屬骨架材料可選用招、鎳、銅及其合金等金屬材料。
[0019]換熱管道在金屬骨架和相變材料間均勻?qū)ΨQ布置，以保證換熱流體的熱量在整個蓄熱空間充分、均勻傳遞。為強化管內(nèi)流體與管壁面的換熱，在換熱管內(nèi)設(shè)置三維交叉導(dǎo)流式混沌擾流器，該型擾流器由于管道內(nèi)周期交叉排列的導(dǎo)流塊，軸向的壓力梯度產(chǎn)生了橫向的速度分量，使流場內(nèi)誘發(fā)混沌對流，這種流態(tài)增加了流體的擾動與湍動，能顯著的強化流體與管壁換熱。當(dāng)流體進入換熱管道后，由于前半個混沌單元中上下導(dǎo)流塊的作用，一部分流體要繞過上層的導(dǎo)流塊，另一部分流體也要繞過下層的導(dǎo)流塊，上層流體與下層流體的流動方向不同，形成交叉剪切流，即流體產(chǎn)生了橫向的速度分量，流體運動的橫向分量在管道的橫截面方向?qū)α鲃咏橘|(zhì)產(chǎn)生拉伸和折疊，誘發(fā)產(chǎn)生混沌對流；當(dāng)流體經(jīng)過一個混沌單元的后半個單元時，同樣會產(chǎn)生橫向的速度分量，且此處流體的橫向速度分量流動方向與前半個單元相同，即后半個混合單元對于前半個混沌單元產(chǎn)生的混沌對流作用是同方向的加強；混沌對流能顯著地強化管內(nèi)流體混合與傳熱，這種流態(tài)增加了流體的擾動與湍動，增大了主流區(qū)和近壁處流體間的混合，促進流道中冷熱流體的熱量交換，使流道橫截面上的溫度分布更加均勻；另外，由于上下導(dǎo)流塊的相切面偏離管道軸線，即在管道一個橫截面內(nèi)的速度場不是呈管道軸線中心對稱的，同時由于前半個混沌單元和后半個混沌單元導(dǎo)流塊間的相切點分別位于管道軸線的兩側(cè)，導(dǎo)致上游導(dǎo)流塊誘發(fā)的流場與下游導(dǎo)流塊誘發(fā)的流場在各自相應(yīng)的位置也是不同的，這些不對稱性均增強了流體的混沌對流作用；此外，每個導(dǎo)流塊都相當(dāng)于管內(nèi)的一個翅片，通過與流體在管內(nèi)產(chǎn)生熱量交互作用，將提高流體與管壁的換熱性能。
[0020]所述的分流裝置和集流裝置用于控制外界換熱流體均勻地流進、流出分布于金屬骨架間的換熱管道。分流裝置和集流裝置外端由一根主干通道與外部流體設(shè)備連接，另一端由主干通道上均勻分出的四個對稱分支通道分別與四根換熱管道連接，保證換熱流體在各換熱管道中均勻分配。
[0021]有益效果:本發(fā)明涉及的一種具有仿蜂巢分形結(jié)構(gòu)特征的固液相變蓄熱器，此結(jié)構(gòu)利用了正六邊形“均勻密鋪”任意幾何形狀的特性，合理的分配了相變材料和導(dǎo)熱介質(zhì)的構(gòu)成比例；六邊形孔道內(nèi)設(shè)置有燕尾型軸向微槽道，可大大提高孔道內(nèi)換熱水平；換熱管道內(nèi)設(shè)置有三維交叉導(dǎo)流式混沌擾流器，即管道內(nèi)周期交替排列的導(dǎo)流塊誘發(fā)流體產(chǎn)生混沌對流，能顯著的增強流體與管壁換熱。分形金屬網(wǎng)狀通道連續(xù)的分流、合流效應(yīng)有效地平衡了強弱熱流之間的配置，使換熱管中的熱量快速高效地在整個蓄熱空間中分散傳遞，換熱流體與相變材料之間產(chǎn)生較好的熱量交互作用，整個蓄熱器的溫度分布更加均勻，大大地提高了蓄熱器的蓄熱密度和蓄熱效率，從而實現(xiàn)蓄熱器高效的儲能目的。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的蓄熱器金屬骨架孔道和換熱管排布結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明的蓄熱器內(nèi)部透視圖；
[0024]圖3為本發(fā)明的蓄熱器整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4為本發(fā)明換熱管道內(nèi)導(dǎo)流塊平面示意圖；
[0026]圖5為本發(fā)明換熱管道內(nèi)一個混沌單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖6為圖5的軸向俯視圖；
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