[发明专利]一种具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置

说明书

本发明公开了一种具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置，包括换热管组、相变蓄热材料及蓄热装置外壳；换热管组包括进口总管、出口总管与圆锥螺旋盘管；圆锥螺旋盘管是一种管中心线在圆锥面上自外向内逐圈旋转的盘管结构；多组圆锥螺旋盘管等间距且同轴地布置在一起；每组螺旋盘管的进口在螺旋外侧，出口在螺旋内侧；这些螺旋盘管的进口与出口分别连接在上而形成了换热管组；该换热管组浸没在相变蓄热材料中，并由蓄热装置外壳包裹，形成了具有圆锥螺旋盘管结构的相变蓄热装置。该装置利用流体旋转过程促进了蓄热过程的进行，具有结构紧凑、蓄热效率高的优点。

技术领域

本发明属于相变蓄热领域，特别是一种具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置。

背景技术

太阳能发电技术是一种清洁无污染的能源技术，但由于太阳能的收集过程中存在日间周期性波动，影响发电过程的平稳运行，不适宜直接使用太阳能发电。为解决这一问题，常使用相变蓄热装置以热能形式存储收集的太阳能并稳定供给发电装置。

管壳式相变蓄热装置是一类经典的相变蓄热装置，具有成熟的加工制造经验。传统的相变蓄热装置，如专利号201010119607.3的相变蓄热装置，使用在平面上铺展开来的换热管束进行蓄热。随着蓄热过程的进行，在相变蓄热装置内流动的流体温度逐渐降低，相变蓄热装置中换热管束的蓄热效果逐渐降低，换热管束末端有大量相变蓄热材料无法参与到蓄热过程中。

为解决这一问题，专利号201621087825.2提出了一种螺距渐变式螺旋盘管蓄热器，减少了换热管束末端的相变蓄热层厚度，促进了相变蓄热材料的熔化，但相应地增大了换热管束的长度，消耗了较多的金属材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置，以实现在满足相变蓄热要求的前提下，减少导热金属材料及相变蓄热材料消耗的目的。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置，包括相变蓄热装置外壳和设置在相变蓄热装置外壳内的换热管组，相变蓄热材料；

所述换热管组包括一组进口总管、一组出口总管及多组圆锥螺旋盘管；所述圆锥螺旋盘管为管中心线在圆锥面上自外向内逐圈旋转的盘管结构，圆锥螺旋盘管间保持等间距同轴布置；圆锥螺旋盘管的弯曲半径逐渐减小，以提高流体的湍流度。

一种具有圆锥螺旋盘管结构的管壳式相变蓄热装置的关键参数确定方法，包括以下步骤：

步骤1、计算相变蓄热装置内流体传热系数h_liq、换热管壁传热系数h_pip及相变蓄热材料传热系数h_PCM；

步骤2、计算不同弯曲半径盘管的传热系数h(r)：

其中r为盘管弯曲半径；n为盘管修正系数；

步骤3、基于蓄热功率需要及圆锥螺旋形状需要，建立了下述方程以确定不同弯曲半径盘管的长度l(r)并建立相应的圆锥螺旋盘管结构；

其中q为蓄热功率，dT为输入流体与相变蓄热材料间的温差，d₂为换热管外径。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)通过圆锥螺旋盘管结构，使得本发明在满足相变蓄热要求的前提下消耗的金属导热材料与相变蓄热材料较少，结构较为紧凑。

(2)通过圆锥螺旋盘管结构，有效提升了螺旋盘管中心低弯曲半径部分的长度。而螺旋盘管中心低弯曲半径部分的传热系数较高，延长该部分有效提升了相变蓄热装置的蓄热效率。

附图说明

图1为相变蓄热装置装配图。