[发明专利]不规则雪花式翅片相变蓄热装置

说明书

本发明公开了一种不规则雪花式翅片相变蓄热装置，包括HTF流道、蓄热装置内管壳体、不规则雪花状结构翅片、PCM蓄热材料和蓄热装置外壳，所述蓄热装置内管壳体中空形成HTF流道，外部连接有不规则雪花状结构翅片，所述不规则雪花状结构翅片外侧套有蓄热装置外壳，不规则雪花状结构翅片和蓄热装置外壳形成的空隙里填充PCM蓄热材料，HTF的热量通过不规则雪花状结构翅片快速传递给PCM蓄热材料，利用相变潜热储存热能，之后再利用储存的热能进行后序换热。本发明结构简单、加工方便、成本低廉，在PCM蓄热材料和内管壳体之间加不规则雪花状翅片，强化了冷热流体与相变材料之间的换热过程，从而实现了冷流体、热流体与固液相变材料三者之间的高效换热。

技术领域

本发明涉及一种相变蓄热装置，尤其涉及一种高效换热的不规则雪花式翅片卧式相变蓄热装置。

背景技术

针对能源紧缺与全球经济快速发展显示出来的矛盾，发展储能行业具有广阔的应用前景，相变蓄热是通过利用PCM的潜热将人类从事生产和生活中的余热储存起来，例如太阳能、谷电和工业余热等，然后在不同空间或不同时间中将其释放以实现移峰填谷的作用，这将会减少能源的浪费。相变蓄热技术由于其价格低廉，遍布广泛的PCM材料而作为余热回收技术的重点发展对象，相变材料按照其属性可分为有机材料、无机材料和复合材料，在选择合适的PCM材料时应重点考虑它的潜热和相变温度等性质，套管潜热蓄能技术(LHTES)是目前潜热蓄能中最常见的技术，在潜热蓄热系统中，由于PCM的导热性能很差，如何改进装置结构改善PCM的熔化性能，将HTF中的热量快速、高效的储存到PCM中实现高效换热一直都是研究的一个热点。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种高效换热的不规则雪花式翅片卧式相变蓄热装置。

技术方案：本发明装置包括HTF流道、蓄热装置内管壳体、不规则雪花状结构翅片、PCM蓄热材料和蓄热装置外壳，所述蓄热装置内管壳体中空形成HTF流道，外部连接有不规则雪花状结构翅片，所述不规则雪花状结构翅片外侧套有蓄热装置外壳，不规则雪花状结构翅片和蓄热装置外壳形成的空隙里填充PCM蓄热材料，HTF的热量通过不规则雪花状结构翅片快速传递给PCM蓄热材料，PCM蓄热材料熔化，利用相变潜热储存热能，之后再利用储存的热能进行后序换热。

进一步地，所述不规则雪花状结构翅片共有8块纵向翅片，根据PCM蓄热材料熔化时自然对流的性质，利用翅片分布角度α对LHTES的下部区域进行合理加密，通过单因素优化法得到LHTES各项热力学指标最优时的最佳翅片分布角α。

进一步地，利用响应面法对分布角度为α的最优外形不规则雪花翅片状的套管进行翅片几何尺寸优化，得到LHTES各项热力学指标最优时的翅片长度H，翅片厚度m，翅片分叉角度θ，进而得到蓄热量公式和熔化时间公式：

蓄热量＝725.63+2.12H-18.46m-0.5955θ-4.56Hm-1.74Hθ+0.7162mθ+7.42H²+5.43m²+5.01θ²

熔化时间＝195.5-47.01H-18.93m+12.04θ+15.33Hm+1.9Hθ-3.88mθ+21.9H²+8.92m²+8.35θ²。

进一步地，所述相变潜热储存能量的评价模型如下：

用熔化率f表示已熔化的PCM体积占总PCM体积的比例：

式中v_PCM为PCM总体积，λ为PCM在不同阶段的液相率，A为PCM底面面积；

储热单元的理论储热总量Q_PCM包括PCM和壳体储热量，由于壳体所占的比例很小可以忽略不计，根据PCM的熔化特性，储热量分为固态显热、潜热和液态显热储热量三部分，可以表示为：