[发明专利]一种旋转式强化换热相变蓄热装置

说明书

本发明涉及一种旋转式强化换热相变蓄热装置，包括蓄热壳体、旋转装置、相变蓄热单元和换热流道，蓄热壳体包括蓄热外壳，蓄热外壳上设有换热介质入口和换热介质出口，旋转装置包括第一转盘、第二转盘和转轴，相变蓄热单元包括蓄热管和相变材料组件，蓄热管包括蓄热管内筒、蓄热管外筒和蓄热管管壁，换热流道包括第一流体通道和第二流体通道。与现有技术相比，本发明具有换热效率高、换热均匀性好、流动阻力小、相变蓄热装置压降小、装置简单、应用广泛等优点。

技术领域

本发明涉及储热技术领域，尤其是涉及一种旋转式强化换热相变蓄热装置。

背景技术

低成本、稳定、可靠的可再生能源技术是未来中国实现“碳达峰”和“碳中和”两大目标的关键。但是，太阳能、风能等可再生能源普遍存在波动性和间歇性的特点，从而造成可再生能源的供给与需求在时间、空间和强度上不匹配的矛盾。为了保证可再生能源系统运行的灵活性和稳定性、提高能源利用率，需要统筹考虑储电、储热、储冷等多种储能技术。在储能技术中，储热技术以热能的形式储存能量，截止至2020年11月，全球的储热系统规模大约为234GWh，到2030年全球储热市场的规模预计会增加2倍，具有较大推广潜力。另外，全球90％以上的能量最终以热能的形式被利用，因此储热技术还具有更广阔的应用空间。储热技术根据热量储存的形式可以分为显热储热、潜热储热、热化学储热。潜热储热，又称相变蓄热，是利用相变材料在相变过程中吸收和释放相变潜热的特性来储存和释放热能的方法。相较于显热储热和热化学储热，相变蓄热具有储能密度高、恒温蓄放热、温度控制方便、使用范围广等优势。因此，相变蓄热技术在余热回收利用、太阳能供暖、电池热管理系统、绿色建筑、太阳能热电站等领域具有广泛应用和发展前景，而开发高效换热的相变蓄热装置结构及高性能的相变材料对应用相变蓄热技术起决定性作用。

相变蓄热装置由多个相变蓄热单元和换热流道构成，换热介质在流道内流动，通过换热壁面与相变蓄热单元里的相变材料进行换热，从而实现热量的储存与释放。

对于相变蓄热单元，其形状多种多样，包括矩形、球形、圆柱形、环形等。不同形状相变蓄热装置的蓄放热特性有较大差异，选择合适形状的相变蓄热单元对设计高效的相变蓄热系统至关重要。相关学者研究了具有相同体积和换热面积的矩形、圆柱形和同心套管的相变蓄热装置熔化特性，对比了平均对流换热系数、熔化时间等性能参数，研究表明在储存相同热量的情况下，同心套管式所需时间最少，而且随着相变材料装填量的增加，这种优势越明显。因此，由于换热效率高、结构紧凑，相较于其他几种形状，套管式相变蓄热装置具有更广阔的应用前景。

对于换热流道，其结构是相变储能技术的骨架。为了提高换热效果，目前绝大多数工作考虑的是增大换热面积，增加相变蓄热装置换热均匀性，通过增加翅片、采用波纹板或多孔结构等方法。但是，增大换热面积会导致增加相变蓄热容器复杂性、提高制作成本，进一步地，会降低相变材料的装填量。另外，传统相变蓄热器的主要换热部件是静止不动的，为了增大总换热系数，往往通过增大换热介质流速来提高雷诺数，从而提高换热效果。但是，由于阻力与流速是二次方关系，增大换热介质流速的同时，压降也增大了，因此只能在流速与压降之间寻求平衡。另外，换热介质沿流程流动过程中，由于换热介质与相变材料的换热温差越来越小，容易造成蓄热器出口附近的相变蓄热单元不能进行有效蓄放热，相变材料在换热过程中不能完全熔化与凝固，由此产生的温度与热应力分布不均匀，进一步地，会造成相变材料和蓄热装置材料的寿命下降。因此，优化相变蓄热装置结构是必要的。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的温度与热应力分布不均匀造成相变材料和蓄热装置材料寿命下降的缺陷，增大换热介质流速造成压降增大和耗能增大的缺陷，以及增大相变蓄热装置换热面积造成增加装置复杂度、提高制作成本和降低相变材料装填量的缺陷，而提供一种旋转式强化换热相变蓄热装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：