本發(fā)明涉及熱量高效存儲、釋放與交換系統(tǒng)，具體的涉及一種高效相變蓄能系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

21世紀的今天，能源的利用和開發(fā)成為了全球的熱點，能源的充分利用儼然成為各行各業(yè)致力研究的方向。節(jié)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(huán)境，提高能源利用率已成為當(dāng)今國際社會需要解決的重要課題，其中蓄能技術(shù)的開發(fā)與利用又是提高能源利用率的關(guān)鍵手段，主要應(yīng)用于太陽能熱儲存、電力“移峰填谷”、工業(yè)廢熱和余熱的回收等領(lǐng)域。

相變蓄熱以其蓄熱密度大、溫度變化小、容易控制等優(yōu)點，日益成為合理利用能源、提高能源利用率、減小環(huán)境污染的首要選擇。相變材料與蓄熱器結(jié)構(gòu)是目前蓄熱技術(shù)研究的兩個主要方面，只有將兩方面有機的結(jié)合才能達到理想的蓄熱效果。蓄熱系統(tǒng)中，蓄熱器結(jié)構(gòu)是相變儲能技術(shù)的骨架，目前絕大多數(shù)的蓄熱器主要以盤管為主要換熱結(jié)構(gòu)，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?zé)嵩?，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(wěn)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(nèi)國外相變蓄熱器一直無法大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。優(yōu)化蓄熱器的結(jié)構(gòu)是本領(lǐng)域一直在嘗試和探索的方向。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種微熱管陣列板相變蓄熱系統(tǒng)，它能有效地解決現(xiàn)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(dǎo)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(chǎn)業(yè)上推廣應(yīng)用的問題，實現(xiàn)低溫差、大功率的蓄放熱，可以直接應(yīng)用于太陽能蓄熱、余熱利用、低谷電儲熱等新能源與節(jié)能領(lǐng)域的技術(shù)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(shè)施需要占用龐大地面空間的問題。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)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(shè)置于相變蓄熱材料內(nèi)；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(dǎo)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(zhì)循環(huán)回路的換熱部分；所述放熱換熱器是與冷源連接的介質(zhì)循環(huán)回路的換熱部分，由此實現(xiàn)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(yōu)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(yōu)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(tǒng)，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(cè)、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(cè)與熱源通過換熱器與蓄熱器發(fā)生熱交換，

其中所述蓄熱器的內(nèi)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(shè)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(shè)置為與微熱管陣列板緊貼的換熱水管，所述蓄熱器內(nèi)部空隙處填充相變蓄熱材料；

當(dāng)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(dāng)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(cè)。

優(yōu)選的，當(dāng)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(dāng)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(yōu)選的，所述換熱器通過第二四通閥連接用戶側(cè)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(cè)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(cè)連通的管路形成用戶側(cè)放熱環(huán)路，與熱源連通的管路形成熱源充熱環(huán)路。

另一種采用前述方法的相變蓄熱系統(tǒng)，其特征在于：包括微熱管陣列板蓄熱器，換熱器，連接用戶側(cè)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(cè)通過換熱器與蓄熱器發(fā)生熱交換，

其中所述蓄熱器的內(nèi)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(shè)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(shè)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(shè)置為與微熱管陣列板緊貼的換熱水管，所述蓄熱器內(nèi)部空隙處填充相變蓄熱材料；

當(dāng)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(dāng)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(cè)。

優(yōu)選的，所述加熱端的加熱裝置采用電加熱式，加熱端設(shè)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(shè)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(yōu)選的，當(dāng)處于蓄熱工況時，加熱端的電加熱器加熱；當(dāng)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(yōu)選的所述微熱管陣列板內(nèi)孔的等效直徑為0.3～3.5mm。

優(yōu)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(yōu)選的所述蓄熱器外部有保溫層的箱體。

所述箱體進一步優(yōu)選為長方體或者柱形容器。

本發(fā)明的技術(shù)效果：

本發(fā)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(tǒng)，它能有效地解決現(xiàn)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(dǎo)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(xiàn)低溫差、大功率的蓄放熱，可以直接應(yīng)用于太陽能蓄熱、余熱利用、低谷電儲熱等新能源與節(jié)能領(lǐng)域的技術(shù)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(shè)備就可實現(xiàn)電能的直接蓄熱，不僅如此，本發(fā)明的產(chǎn)品還可方便地進行串聯(lián)、并聯(lián)組裝，從而形成各種規(guī)模的蓄熱集成產(chǎn)品。

本發(fā)明的相變蓄放熱系統(tǒng)優(yōu)選的由三個部分構(gòu)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(fā)泡保溫，裝置內(nèi)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(shè)計而成，蓄熱單元優(yōu)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(nèi)部的兩個換熱水管和三組翅片組成，微熱管陣列板內(nèi)部包括換熱工質(zhì)，通過換熱工質(zhì)的遇熱蒸發(fā)吸熱、遇冷冷凝放熱的相變實現(xiàn)由下而上的快速傳遞熱量。蓄熱器根據(jù)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(qū)別在于下部，電加熱式的在下部扁管處或相變材料外部設(shè)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(shè)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(shè)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(nèi)其它相變材料換熱的間接式電加熱蓄熱方法，可以實現(xiàn)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(fēng)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(jīng)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(yōu)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(yōu)選由板式換熱器構(gòu)成，可以從市場訂購，其功率、尺寸根據(jù)具體情況由用戶要求而定。

本發(fā)明的系統(tǒng)為封閉系統(tǒng)，其充放熱均通過換熱器與外界進行熱量交換，當(dāng)熱源(工廠廢熱、太陽能等)有多余熱量產(chǎn)生而用戶消耗不完時，系統(tǒng)進入蓄熱階段，熱源通過熱源充熱環(huán)路將熱量傳給換熱器，然后換熱器再通過系統(tǒng)放熱環(huán)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(dāng)外界熱源不能滿足用戶需求時(比如太陽能系統(tǒng)夜間需要熱量時)，系統(tǒng)進入放熱階段，熱量通過系統(tǒng)放熱環(huán)路的輸出管路將熱量傳至換熱器，然后將熱量通過用戶側(cè)放熱環(huán)路輸送給用戶側(cè)，從而使得用戶側(cè)溫度升高滿足加熱需要。各環(huán)路工作的開啟和關(guān)閉通過各四通閥結(jié)合實際需求控制。本發(fā)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(huán)路從而實現(xiàn)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(jù)不同的情況和需求，也可將熱量來源設(shè)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(fā)明在蓄熱器內(nèi)將微型熱管作為傳熱導(dǎo)體，代替常規(guī)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(jié)構(gòu)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(shù)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(fā)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(wěn)定、無腐蝕性且在有機PCM中價格最低，符合經(jīng)濟性要求。

本發(fā)明利用新型微熱管陣列板相變蓄熱器作為相變蓄熱系統(tǒng)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(huán)路，將系統(tǒng)內(nèi)部充放熱循環(huán)與外界用戶和熱源循環(huán)分隔開，利用換熱器完成兩者間的熱量儲存和釋放，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和換熱過程上改善了換蓄熱系統(tǒng)的換熱傳熱方式，從而使得系統(tǒng)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(biāo)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(cè)放熱環(huán)路，8-熱源充熱環(huán)路，9-用戶側(cè)，10-熱源，11-膨脹水箱，12-循環(huán)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(jié)合附圖對本發(fā)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(cè)9、熱源10與換熱器3、蓄熱器1的管路和切換管路連接關(guān)系的第一四通閥2和第二四通閥4，所述用戶側(cè)9與熱源10通過換熱器3與蓄熱器1發(fā)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(fā)泡保溫，其內(nèi)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(shè)計而成，每個蓄熱單元15由前后并排設(shè)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(nèi)部包括換熱工質(zhì)，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(jié)構(gòu)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(lián)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(nèi)部空隙處采用工業(yè)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(dāng)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(huán)路8不斷的向換熱器3循環(huán)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(jīng)各蓄熱單元15的加熱端14時，微熱管陣列板17內(nèi)部工質(zhì)受熱蒸發(fā)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(dǎo)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(huán)。當(dāng)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(nèi)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(cè)放熱環(huán)路7傳遞給用戶側(cè)9，熱量被取走的載熱劑再進入用戶側(cè)放熱環(huán)路7并通過換熱器3進行下一次取熱循環(huán)。

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(jié)構(gòu)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(nèi)嵌有換熱水管，加熱端14的微熱管陣列板17內(nèi)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(jié)構(gòu)如圖7所示。

本實施例的管路結(jié)構(gòu)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(huán)路。當(dāng)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(nèi)部工質(zhì)受熱蒸發(fā)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(dǎo)至石蠟蓄熱材料中儲存起來。當(dāng)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(nèi)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(cè)放熱環(huán)路7傳遞給用戶側(cè)9，熱量被取走的載熱劑再進入用戶側(cè)放熱環(huán)路7并通過換熱器3進行下一次取熱循環(huán)。

此外，電加熱器也可設(shè)置為在相變材料容器的底部的外部設(shè)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(nèi)其它相變材料換熱的間接式電加熱蓄熱方法，可以實現(xiàn)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(fēng)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(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，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(shù)量、翅片形狀數(shù)量、不同工質(zhì)和載熱劑等的替換、管路不同的連接方式等都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準(zhǔn)。